Atomuhren

Wer eine Uhr bauen will, braucht im Wesentlichen zwei Dinge: einen periodischen Vorgang und etwas, das diesen periodischen Vorgang zählt. Ein Beispiel ist die gleichmäßige Rotation der Erde, die den Takt einer Sonnenuhr vorgibt. Ebenso lässt sich ein schwingendes Pendel nutzen, um die Zeit zu messen. Aber auch Atome eignen sich für diese Aufgabe. Tatsächlich liefern Atomuhren, die weltweit von Instituten wie etwa der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig betrieben werden, heutzutage die genauesten Zeitangaben.

Die allererste Atomuhr – auf der Basis von Ammoniakmolekülen – fing im Jahr 1949 zu ticken an. Wenig später folgten Uhren, die Cäsiumatome nutzen. Die Atome befinden sich zunächst allesamt in ihrem Grundzustand, also dem Zustand niedrigster Energie. Ziel ist nun, möglichst viele von ihnen mithilfe eines Mikrowellenfeldes in einen höheren Energiezustand zu versetzen. Denn um die Cäsiumatome auf diese Weise „anzuregen“, eignen sich nur ausgewählte Frequenzen – und die können dann als Taktgeber dienen.

Mikrowellen und Licht als Taktgeber

Gemäß der Quantenmechanik können Atome nicht beliebige Energiewerte annehmen, sondern nur ganz bestimmte. Ausgehend vom Grundzustand sind „Sprünge“ in höhere Energieniveaus nur möglich, wenn die zugeführte Energie exakt der Energiedifferenz entspricht. Damit das Mikrowellenfeld die erforderliche Energieportion liefern kann, wird dessen Frequenz entsprechend angepasst – und derjenige Wert gehalten, bei dem die meisten Atome ihren Zustand ändern.

In Cäsiumuhren tritt dieser Fall bei Mikrowellen ein, die exakt 9 192 631 770 Mal pro Sekunde schwingen. Oder anders herum: Eine Sekunde ist vergangen, wenn das Mikrowellenfeld genau 9 192 631 770 Oszillationen ausgeführt hat. Seit 1967 ist eine Sekunde über diese Periodendauer definiert. Längst sind Atomuhren in unserem Alltag präsent. Sie geben Funk- und Bahnhofsuhren den Takt vor – und sorgen dafür, dass wir uns nicht verfahren: GPS-Satelliten verfügen über eingebaute Atomuhren, denn weicht die Zeit hier nur ein Millionstel einer Sekunde ab, liegt der Empfänger bei der Position schnell um mehrere Hundert Meter falsch.

Auch wenn eine Cäsiumatomuhr nach über 300 000 Jahren um lediglich eine Sekunde falsch geht – zufrieden geben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler damit nicht. Daher arbeiten sie bereits an Atomuhren der nächsten Generation. Diese basieren nicht auf Mikrowellenstrahlung, sondern verwenden Licht als Taktgeber. Solche optischen Atomuhren ticken deutlich schneller als ihre Vorgänger, unterteilen die Zeit also in feinere Intervalle, und sind dadurch noch einmal genauer.