Seite 2: Gezähmte Zeit

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Für Flemings Nachfolger keine Frage. Alle nationalen Zeitinstitute der Industrieländer arbeiten im Moment an einer neuen Generation von Chronometern: so genannten "optischen Uhren". Die Geräte sollen die Ganggenauigkeit der besten Atomuhren noch einmal um Faktor 1000 übertreffen und damit nicht nur Grundlagenforschern beim Test ihrer Theorien helfen, sondern möglicherweise auch die Satellitenortung verbessern, den Telefonverkehr optimieren und exakte Höhenmessungen erleichtern. "Eines Tages werden wir mit den optischen Zeitmessern vielleicht sogar die Sekunde neu definieren. Die erste informelle Fachkonferenz zu diesem Thema hat kürzlich bereits stattgefunden", erzählt Andreas Bauch von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig.

Der Physiker arbeitet in staatlichem Auftrag: Er ist Deutschlands Hüter der Zeit. In seinem Labor stehen jene fünf Präzisionsuhren, die -- abgestimmt mit Chronometern rund um den Erdball -- den offiziellen Sekundenrhythmus im Land vorgeben und über einen Langwellensender an Millionen Funkuhren weiterleiten. Leistungsfähigstes Mitglied in Bauchs Zeitlieferanten-Trupp ist eine spezielle Cäsium-Atomuhr, übermannshoch, mit einem röhrenförmigen Metallgehäuse, in dem Cäsium-Teilchen wie Tröpfchen in einer Wasserfontäne auf und ab tanzen. Solche "Cäsium-Fontänen" waren bislang das Aushängeschild der Zeitforschung und galten als die besten Chronometer der Welt. "In zehn Millionen Jahren gehen sie maximal eine Sekunde falsch", sagt Bauch.

Die Musteruhren haben jedoch einen Schönheitsfehler: Ihre Genauigkeit lässt sich bloß noch schwer steigern. Der Takt der Fontänen hängt nämlich von den atomaren Eigenschaften der auf und ab schwebenden Cäsium-Teilchen ab. Generell ist das bei allen Atomuhren ähnlich. Die Zeitmesser nutzen aus, dass Atome den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen und daher verschiedene, fest vorgegebene Energiezustände einnehmen können. Bestrahlt man die Teilchen mit elektromagnetischen Wellen, wechseln sie von einem dieser Zustände in einen anderen über; allerdings nur, wenn die Frequenz der verwendeten Strahlung penibel auf den gewünschten Übergang abgestimmt ist. Anhand der Atomübergänge lässt sich folglich der Takt der zugehörigen "Übergangs-Strahlung" einjustieren -- und mit ihm das Ticken der Uhr. Denn wie die Schwingbewegung des Pendels den Pulsschlag der mechanischen Uhren festlegt, bestimmt die Schwingfrequenz der Übergangs- Strahlung den Rhythmus der Atomuhren.

Bei Cäsium-Atomen liegen die uhrenrelevanten Energiezustände gerade so, dass die passende Übergangs-Strahlung aus Mikrowellen besteht. Definitionsgemäß ist genau dann eine Sekunde verstrichen, wenn die Mikrowellen 9 192 631 770 Schwingungen vollbracht haben. Die Sekunde wird von den Mikrowellen also in mehr als neun Milliarden kurzer Abschnitte zerlegt -- eine recht feine Parzellierung. Um die Zeitmessung deutlich exakter zu machen, müsste man den Sekundenfluss aber in noch kleinere Häppchen zerteilen -- mit Cäsium-Fontänen unmöglich.