Wissenschaft

Alpen-Experiment

Forscher messen Höhe mit mobiler Atomuhr

Atomuhren zeigen nicht nur die Zeit an. Erstmals haben Forscher so ein Gerät nun zur Höhenmessung in den Alpen eingesetzt - mit einer mobilen Strontium-Uhr.

Christian Lisdat/ PTB

Anhänger mit transportabler optischen Uhr

Dienstag, 13.02.2018   10:19 Uhr

Sie können mehr, als nur die Zeit anzeigen: Mit Hilfe einer mobilen optischen Atomuhr haben Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig die exakte Höhe einer bestimmten Stelle in den Alpen bestimmt.

Grundlage dafür war, dass das internationale Team um PTB-Forscher Christian Lisdat zum ersten Mal überhaupt mit einer transportablen Strontium-Uhr die Erdanziehungskraft vermessen konnte.

Das Ergebnis kann in seiner Genauigkeit zwar noch nicht ganz mit konventionellen Messungen mithalten, die Methode eröffne jedoch den Weg zu einer "relativistischen Geodäsie", erläutern die Forscher im Fachblatt "Nature Physics". Geodäsie beschäftigt sich mit der Vermessung der Erdoberfläche.

Fotostrecke

Optische Uhr: Zeitstrahl aus Braunschweig

Atomuhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten in der Physik. Sie bestimmen die Zeit, indem sie bestimmte Schwingungen von Elektronen in Atomen zählen. Je schneller die Schwingungen sind, desto genauer lässt sich die Zeit darüber messen.

Währen bei den zurzeit als Zeitstandard verwendeten Cäsium-Atomuhren die Schwingungen im Bereich der Mikrowellen liegen, sind die Schwingungen in optischen Atomuhren so schnell, dass sie sich im optischen Spektralbereich befinden. Optische Atomuhren sind so exakt, dass sie im gesamten bisherigen Alter des Universums, 13,7 Milliarden Jahre, nicht eine Sekunde falsch gehen würden.

Kontrollierte Umgebungsbedingungen nötig

Nach Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vergeht die Zeit mit zunehmender Schwerkraft langsamer. Dieser relativistische Effekt muss beispielsweise bei der Satellitennavigation korrigiert werden: In der Umlaufbahn der Satelliten läuft die Zeit etwas schneller als am Erdboden, was ohne Korrektur zu Fehlern in der Positionsbestimmung führen würde. Moderne, optische Atomuhren sind so gut, dass sie über die veränderte Zeit im Labor bereits einen Höhenunterschied von nur zwei Zentimetern messen können.

Christian Lisdat/ PTB

Genutzte mobile Strontium-Gitter-Uhr

Für derartige Messungen werden zwei in verschiedener Höhe aufgestellte Atomuhren miteinander verglichen. Über den sogenannten Gangunterschied lässt sich die Differenz in der Schwerkraft und daraus der Höhenunterschied zwischen beiden Uhren bestimmen. Im Prinzip lässt sich so die Schwerkraft an jedem beliebigen Punkt der Erde messen. Was unter Laborbedingungen mit beeindruckender Genauigkeit klappt, ist mobil jedoch nicht so einfach: Die Präzisionsinstrumente benötigen genau kontrollierte Umgebungsbedingungen.

Seit etwa einem Jahr besitzt die PTB eine transportable Strontium-Gitter-Uhr. Diese fuhren die Forscher nun auf einem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten Autoanhänger in die französischen Alpen. Im Frejús-Tunnel zwischen Frankreich und Italien betreibt die französische Forschungsorganisation CNRS das unterirdische Labor von Modane. Dort maßen die Forscher mit ihrer mobilen Atomuhr die Zeit und verglichen sie per Glasfaser mit einer Atomuhr im rund 100 Kilometer entfernten und etwa 1000 Meter tiefer gelegenen Turin in Italien.

Christian Lisdat/ PTB

Pkw-Anhänger mit optischer Strontiumuhr

Die aus dem Gangunterschied der beiden Atomuhren ermittelte Höhendifferenz verglichen sie mit einer konventionellen Höhenmessung der Universität Hannover. Beide Werte stimmten überein, wobei die konventionelle Messung noch rund hundertmal genauer war als die Atomuhr-Messung. Die Premiere zeigt jedoch, dass derartige mobile Messungen möglich sind, und mit dem bestehenden Optimierungspotenzial kann die Methode noch erheblich genauer werden. "Optische Atomuhren gelten als die Uhren der Zukunft - und dies nicht nur im Labor, sondern auch als mobile Hochpräzisionsinstrumente", betont Lisdat in einer Mitteilung der PTB.

Andrew Ludlow vom US-Nationalen Institut für Standards und Technologie, der nicht an der Untersuchung beteiligt war, zeigt sich in einem begleitenden Kommentar von dem Ansatz begeistert. "Indem sie die ersten erfolgreichen Messungen mit einer transportierbaren, optischen Atomuhr außerhalb des Labors durchgeführt haben, haben die Studienautoren gezeigt, wie gewaltig das Potenzial dieser Systeme ist und dass sie eine vielversprechende Zukunft haben."

Die Forscher um Lisdat erwarten, dass sich mit der relativistischen Geodäsie künftig Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern auch mobil messen lassen. Zudem sei die Messunsicherheit nahezu unabhängig vom Abstand der Uhren, erläuterte die PTB, während sich bei der konventionellen Geodäsie Messfehler mit zunehmender Entfernung addierten.

Von Till Mundzeck, dpa/joe

insgesamt 48 Beiträge
mrotz 13.02.2018
1.
Die Höhe kann damit nicht bestimmt werden. Man kann nur das lokale Gravitationspotential messen. Und dieses ist von der höhe, aber auch von der Dichte des Materials unter dem Messpunkt abhängig. Die Erde ist keine homogene [...]
Die Höhe kann damit nicht bestimmt werden. Man kann nur das lokale Gravitationspotential messen. Und dieses ist von der höhe, aber auch von der Dichte des Materials unter dem Messpunkt abhängig. Die Erde ist keine homogene Gesteinsmischung. Man kann also die gewichtete Dichte an einem Ort bestimmen, wenn man zusätzlich ein genaues Positionssignal (GPS, Radar, Triangulation etc) bekommt. mfg PS die höhe kann man grob abschätzen, aber dann muss man Annahmen über unbekanntes machen und dies ist keine Messung
herwescher 13.02.2018
2. Den Forschern gebührt ein Ehrenpreis ...
... in der Kategorie "Vermarktung sinnlosen Experimentierens mit teurem Equipment" ... Die physikalischen Hintergründe hat "mrotz" ja bereits ausreichend beschrieben ... Und praktisch niemand bestreitet [...]
... in der Kategorie "Vermarktung sinnlosen Experimentierens mit teurem Equipment" ... Die physikalischen Hintergründe hat "mrotz" ja bereits ausreichend beschrieben ... Und praktisch niemand bestreitet die gravitative Zeitdilatation, die hier gemessen wird. Das Ganze versagt schon, wenn die Uhr einmal auf einer Bergspitze steht und dann um 100m parallel zur Seite verschoben wird. Gleiche Höhe aber ungleiches Gravitationsfeld ...
milhouse_van_h. 13.02.2018
3. alles relativ ...
Man müsste die Uhren, analog zu den herkömmlichen Höhenmesser der Flugzeuge, die vor Start und Landung auf den aktuell vorhandenen Luftdruck "geeicht" werden, vor jeder Messung auf die an diesem Ort herrschende [...]
Man müsste die Uhren, analog zu den herkömmlichen Höhenmesser der Flugzeuge, die vor Start und Landung auf den aktuell vorhandenen Luftdruck "geeicht" werden, vor jeder Messung auf die an diesem Ort herrschende Gravitation einstellen. Sonst hat das alles sehr wenig Sinn.
phboerker 13.02.2018
4. komisch
Klingt komisch, dass eine Uhr, die so sensibel gegenüber der Gravitationskraft ist, eine besonders genaue Uhr sein soll...
Klingt komisch, dass eine Uhr, die so sensibel gegenüber der Gravitationskraft ist, eine besonders genaue Uhr sein soll...
sommer_fuer_alle 13.02.2018
5. Vorposter irren sich....
Höhe ist gravimetrisch definiert. Wenn man - wie ein Vorposter schreibt - die Uhr 100m parallel zur Seite verschiebt, befindet sich die Uhr eben genau nicht mehr auf gleicher Höhe (selbst wenn man das optisch so annehmen [...]
Höhe ist gravimetrisch definiert. Wenn man - wie ein Vorposter schreibt - die Uhr 100m parallel zur Seite verschiebt, befindet sich die Uhr eben genau nicht mehr auf gleicher Höhe (selbst wenn man das optisch so annehmen würde). Im Artikel ist es richtig beschrieben: Aufgrund der Tatsache, dass die Zeit bei einem unterschiedlichen Gravitationspotential "unterschiedlich schnell geht", misst man de facto den Höhenunterschied, wenn man den "Zeitfehler" (= Gangunterschied) der beiden Uhren vergleicht.

Mehr im Internet

© SPIEGEL ONLINE 2018
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH

TOP