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Sie entwickeln die genaueste Uhr der Welt

Das erste Modell einer optischen Atomuhr tickt am National Institute of Standards and Technology in Boulder/Colorado. An der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, dem Gegenstück zu Boulder, bauen Schmidt und seine Mitarbeiter weiter: eine Uhr, die noch genauer gehen soll.

Versuchsanordnung im Labor: ein für den Laien faszinierender Irrgarten aus Linsen, durch den verschiedenfarbige Laserstrahlen ge

Autor:

Hans Weimann

Aluminium-Uhren zeigen eine Sekunde auf 18 Stellen hinter dem Komma an. Attosekunden nennt man das. Nanosekunden, noch ein geläufiger Begriff auch außerhalb der Fachwelt, sind dagegen eine Ewigkeit. Eine Aluminiumuhr ist ein Oszillator, der so präzise arbeitet, dass er in drei Milliarden Jahren nicht einmal eine Sekunde falsch gehen würde. Vor drei Milliarden Jahren wurde gerade die Erdkruste fest, von Leben, wie wir es kennen, war weit und breit noch nichts zu sehen.

In Entfernungen übersetzt würde das bedeuten, die Distanz zwischen Erde und Sonne bis auf den Bruchteil eines menschlichen Haares exakt zu bestimmen.

Professor Dr. Piet O. Schmidt und sein Team arbeiten im Abschnitt V auf dem PTB-Gelände am Stadtrand von Braunschweig, zehn Autominuten von der Autobahn entfernt. Die „Anstalt” ist übrigens die oberste Instanz in allen Fragen um richtiges Messen, auch zuständig für Kilogramm und Meter.

Professor Dr. Piet O. Schmidt an seinem Schreibtisch im QUEST-Institut an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Br
  • Professor Dr. Piet O. Schmidt an seinem Schreibtisch im QUEST-Institut an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig.

Wer nach den Zeitmessern fragt, bekommt vom Pförtner an der Einfahrt einen Lageplan in die Hand gedrückt. Im Abschnitt V steht das QUEST-Institut für Experimentelle Quantenmetrologie im Laue-Bau, benannt nach dem Physiker Max von Laue, der wichtige Beiträge zur Relativitätstheorie geleistet und für die Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen den Nobelpreis bekommen hat.

Der Professor blickt aus seinem Arbeitszimmer im vierten Stock auf einen zu dieser Jahreszeit noch winterlich kahlen Baumbestand. Es ist ein nüchterner Zweckraum mit Schreibtisch, Tisch und Stühlen für Besucher. An der Wand ein raumbestimmendes Bild, das eine Illustration des Arbeitsfeldes in diesem Institut sein könnte, in dem sich alles um Licht dreht: Orange und Rot, durchkreuzt von dynamischen Linien. Ein optimistisches Bild. Gemalt hat es Schmidts Mutter Ute.

Schmidt ist Leiter eines Instituts des Exzellenzclusters QUEST („Centre for Quantum Engineering and Space-Time Research”), einem Thinktank, zu dem unter anderem auch das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation in Bremen gehört, außerdem nach Meinung der Wissenschaftspresse einer der besten seines Faches, gerade ausgezeichnet mit dem Young Scientist Award, einem Preis für den besten Forscher unter 40 Jahren.

Wer also entsprechend beeindruckt die Labors der Zeitfabrik betritt, ist dann doch verblüfft: Hier werkeln keine in sterilen Ganzkörperschutz verpackte Wissenschaftler, sondern Doktoranden in Pullover und Jeans. Man gibt sich locker und ist es wohl auch. Auf den Tischen Apparaturen, die auf den ersten Blick an eine Unterrichtsstunde am Gymnasium denken lassen, Leistungskurs Physik.

Aber eben nur auf den ersten Blick: In einem Irrgarten aus Linsen blitzen verschiedenfarbige Laser, gegenüber steht ein tischgroßes Röhrensystem. Das ist sie, die Aluminium-Uhr, das derzeit präziseste Zeitmessinstrument der Welt.

Eine Technik, so fein justiert, dass sie eine konstante Raumtemperatur braucht, um reibungslos zu funktionieren. Im letzten Hitzesommer schaffte das die Klimaanlage nicht und bescherte den Forschern zwei Monate Zwangspause. Bald gibt es eine neue Klimaanlage – bevor die nächste Hitzewelle kommt.

Forschung, sagt der Professor mit feiner Ironie, heißt 90 Prozent der Versuche funktionieren erst einmal nicht, und dann müssen wir eben herausfinden, warum das so ist. Manchmal liegt es an so banalen Dingen wie einer nicht funktionierenden Klimaanlage. Oder am Staub. Es ist die Methode Sherlock Holmes. Und genauso spannend.

Die Forscher schrauben an Apparaturen, die man nirgends kaufen kann und deren Teile sich auf sechsstellige Beträge summieren, liest man in einer Pressemitteilung. Hier findet Forschung statt, die das physikalische Weltbild verändern könnte.

Das Prinzip der Zeitmessung ist den meisten Menschen bekannt: Mechanische Pendel oder Quarze, wie sie auch in jeder billigen Armbanduhr ticken, geben durch ihre Schwingungen den Rhythmus der Uhr vor. Ein Uhrwerk zählt die Impulse.

Und wie bitte funktioniert jetzt die genaueste Atomuhr der Welt? Das Faszinierende: Diese Uhr wird mit sichtbarem Licht getaktet. Vereinfacht ausgedrückt bringt das Laserlicht Elektronen dazu, zwischen verschiedenen Bahnen rhythmisch hin und her zu schwingen. Von einem Energieniveau in ein anderes. Das ist das Pendel der Atomuhr. Und ein weiteres Atom wiederum „liest” die Uhr. Der Professor nennt das Quantenlogik-Spektroskopie.

Dass es Aluminiumionen sind, die da in einem elektrischen Feld schweben und mit einer Frequenz im Bereich des UV-Lichtes schwingen, das ist der Clou der Sache. Hunderttausendmal schneller als die Mikrowellenschwingungen, die bei klassischen Atomuhren im Einsatz sind und den bisher offiziellen Zeitstandard vorgeben.

Hier arbeiten „gefangene Ionen”, wie der Professor umschreibt, eine Technologie, die auch als Baustein für einen Quantencomputer gebraucht wird, Wunschtraum aller Datenfreaks. Wann er kommt? Vielleicht erlebe er es noch, schränkt Schmidt ein und nimmt gleichzeitig Hackern die Hoffnung auf ein Datenutopia: ein Quantencomputer sei kaum geeignet, im Internet zu surfen.

Seine Stärke ist die Faktorisierung von großen Zahlen, eine Fähigkeit, die beispielsweise gebraucht wird, um geheime Botschaften zu entschlüsseln, in der Kryptographie. Weshalb die Entwicklung dieser Technologie unter anderen – wen wundert es – das Militär fördert.

Die Uhren aus Braunschweig werden dagegen beispielsweise für die Astrophysik gebraucht, die Deep Space Navigation. Das ist im Universum so weit weg, wie es sich anhört, und funktioniert so ähnlich wie ein Navigationssystem im Auto. Nur dass man bei schlechtem Empfang nicht in die falsche Straße abbiegt, sondern gleich an einem ganzen Planeten vorbeifliegt.

Dass jenseits unseres Sonnensystems die Physik möglicherweise etwas anders ticken könnte als bisher angenommen, darauf deuten die Flugbahnen der beiden Pionier-Sonden 10 und 11 hin, die derzeit das Sonnensystem verlassen. Die verlaufen nämlich anders, als Physiker erwartet hatten.

Möglicherweise kann man mit den Forschungsergebnissen der QUEST-Denkfabrik sogar klären, was es mit der mysteriösen schwarzen Materie auf sich hat, die das Weltall ausfüllen soll. Also feststellen, ob es einen Unterschied gibt zwischen einem Wasserstoffatom und einem Antiwasserstoffatom.

Letztlich geht es um Grundprobleme der modernen Physik, nämlich der Frage, wieweit Naturkonstanten das sind, was die Vokabel verspricht: Konstanten nämlich. Also ob das Standardmodell der Teilchenphysik stimmt. Oder nicht.

Dr. Stefanie Beier, Pressesprecherin der Leibniz-Universität Hannover, hat das so formuliert: Die in QUEST zu entwickelnden Präzisionsinstrumente sind geeignet, die Struktur von Raum und Zeit auf bisher unerreicht kleiner Skala zu sondieren. QUEST spannt damit den Bogen zwischen Theorie und Experiment.

Für Physiker geht es um die ultimative Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation. Um Zeit und Raum, Phänomene die, wie wir seit Albert Einstein wissen, untrennbar miteinander verbunden sind. Und seit Einstein haben Theoretiker die unterschiedlichsten Modelle entwickelt, wie das Universum aussehen könnte.

Hier auf der Hitliste der Ideen, die sich Otto Normalverbraucher beim besten Willen nicht mehr vorstellen kann: die Stringtheorie mit ihren zusätzlichen Raumdimensionen. Immerhin war es eine bestsellertaugliche Idee. Der US-Starschreiber Michael Crichton („Jurassic Park”) hat daraus ein Buch gemacht: „Time Line“. Da reisen Wissenschaftler durch ein Wurmloch, also ein Schwarzes Loch mit Hinterausgang, in ein anderes Universum. Dem Buch folgte ein Film, Hollywood lässt sich solche Stoffe nicht entgehen. Professor Schmidt erzählt, Mitarbeiter hätten den Film gesehen: “...und herzlich gelacht”.

Mit der Superatomuhr kann man nicht nur die großen Entfernungen im Weltall exakter bestimmen, sie eröffnet auch neue Dimensionen bei der irdischen Navigation. Beispielsweise, um die Dicke des Eisschildes in der Arktis oder die Drift der Kontinentalplatten zu messen. Was eine bessere Erdbebenvorhersage ermöglichen würde. Die Uhren gehen nämlich so genau, dass sie von der Bewegung der Platten beeinflusst werden.

Präzise Zeitmessung war für Navigation schon immer entscheidend: Vor der Erfindung eines exakten Chronometers, mit dem man die Zeit im Heimathafen mit der Zeit auf See vergleichen konnte, segelten die Kapitäne mehr oder weniger orientierungslos auf einem Breitengrad entlang. Erst mit den auch an Bord funktionierenden Chronometern wurden Längengrade messbare Linien auf dem Globus.

So ist die bei der PTB hergestellte Zeit auch heute unverzichtbar: Ohne ihre Qualitätssekunden liefe nichts in unserer modernen Welt. Das Handy-Netz wird automatisch synchronisiert, kein GPS funktioniert ohne Zeitabgleich. Als ein PTB-Server ausfiel, wurde an der Frankfurter Börse kurzfristig der Aktienhandel eingestellt.

Die Zeit ist um. Der Espresso war exzellent, und Schmidt verrät, er müsse jetzt zu einer Vorlesung. Eine Uhr trägt er nicht. Das Gespräch mit dem Professor ist Vergangenheit. Daran ändert auch die exakteste Zeitmessung nichts: Der Zeitpfeil geht immer in die Zukunft.

Wir nehmen die Treppe statt des Aufzugs. Auch eine Dimension der Zeit. Das individuelle Maß. Auf der Treppe geht es langsamer abwärts.

Eine Uhr auf der Tischplatte tickt schneller als eine Uhr, die einen Meter tiefer abgestellt wird. Ursache dafür ist die Gravitation, die Erdanziehung. Bei solch einem Experiment müsste auch die teuerste Rolex passen. Einen solch minimalen Zeitunterschied misst nur eine optische Atomuhr, nämlich den Quantenzustand von Aluminiumatomen, wie sie Professor Dr. Piet O. Schmidt und sein Team an der PTB Braunschweig entwickelt hat.

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