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Die exakte Uhrzeit spielt eine erstaunlich wichtige Rolle für das Funktionieren von Telecom-Netzen, Satelliten-Kommunikation oder Stromleitungen. Neuartige Zeitmesser auf Ionen-Basis könnten irgendwann das Internet schneller machen.

Sandford Flemings Kampf um die Zeit begann mit einem kleinen Druckfehler. Als der Chefingenieur der Canadian Pacific Railway an einem sonnigen Juninachmittag des Jahres 1876 vom irischen Landstädtchen Bandoran Richtung Londonderry reisen wollte, wartete er vergeblich auf seinen Zug: Im offiziellen Fahrplan der Bahn war die Abfahrtszeit aus Versehen um zwölf Stunden zu spät angegeben. Kein besonders erstaunliches Missgeschick, denn damals lebte noch nahezu jede Kleinstadt im Rhythmus ihrer eigenen, am Stand der Sonne ausgerichteten Uhrzeit, und die Eisenbahngesellschaften ließen ihre Züge gewöhnlich nach den Ortszeiten ihrer Hauptsitze pendeln.

Die Folge waren dicke, unübersichtliche Fahrpläne mit einem Wirrwarr verschiedener Zeitangaben, in das sich Fehler leicht einschleichen konnten. "Kolossal verärgert" über dieses "an Barbarei grenzende" Durcheinander verbrachte Fleming die Nacht auf einer Bahnhofsbank von Bandoran, verpasste seine Anschlussfähre nach London -- und warb von da an bei zahlreichen Expertentreffen, in Denkschriften und Fachvorträgen Meridiankonferenz, die Erde in 24 Zeitzonen einzuteilen, der Anfang für eine länderübergreifende Uhrensynchronisation war gemacht.

Inzwischen ist das erdumspannende Zeitgeflecht feiner gewoben, als Fleming wohl je zu träumen gewagt hätte. Ob Stromnetze, Datenleitungen oder Navigationssysteme -- fast die gesamte technische Welt pulsiert heute in sorgsam koordiniertem Einheitstakt. Und ein Verbund aus etwa 250 über den Globus verteilten Atomuhren ermittelt die internationale Standardzeit bis in die vierzehnte Nachkommastelle der Sekunde genau.

Präzise genug, möchte man meinen. Uhren ordnen zwar unser Leben, ohne Uhren würde die moderne Welt nicht funktionieren. Aber wer weiß schon, was Zeit eigentlich ist? Mal verrinnt sie wie im Flug, mal zieht sie sich wie eine Ewigkeit. Weshalb sollte man etwas so schwer Fassbares immer exakter ausmessen? Lohnt sich die Mühe überhaupt?

Gezähmte Zeit

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.

Gezähmte Zeit

Die Hoffnung der Atomuhrmacher-Zunft ruht deshalb auf den optischen Chronometern. Auf großen Tischen, direkt neben den offiziellen Produzenten der Zeit, türmen sich in Bauchs Labor bereits zwei Exemplare des neuen Uhrentyps: ein Sammelsurium aus Glaslinsen, Lasern, Kabeln und Messelektronik.

Herzstück des vermeintlichen Durcheinanders ist ein einziges positiv geladenes Teilchen (Ion), das in einer winzigen elektrischen Falle sitzt. "Das Ion dient gewissermaßen als Taktgeber", erläutert Christian Tamm, Konstrukteur der optischen Zeitmesser bei der PTB. "Genau wie die Cäsium- Atome in der Fontäne hilft es uns, den Rhythmus der Uhr einzuregeln." Und genau wie bei den Fontänen wird dieser Rhythmus von einer elektromagnetischen Strahlung getragen.

Allerdings handelt es sich diesmal nicht um Mikrowellen, sondern um sichtbares oder ultraviolettes Laserlicht. Der Vorteil lässt sich leicht einsehen: Weil das Laserlicht eine höhere Schwingfrequenz hat, können die optischen Uhren nun die Zeit wesentlich feiner unterteilen als ihre Cäsium-Konkurrenten und ticken somit präziser. "Das ist wie bei einem Meterstab", sagt Tamm. "Je feiner die Strichelung auf dem Stab, desto exakter sind Längen mit ihm messbar".

Der hektische Uhrenpuls hat aber auch einen Nachteil: Für die üblichen elektronischen Detektoren, die zum Abzählen von Mikrowellenschwingungen ausreichen, ist er zu schnell. Theodor Hänsch und seine Mitarbeiter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching haben sich daher ein besonderes Zählwerk für optische Uhren ausgedacht. "Früher benötigte man für so eine Anlage mehrere Laborräume und ein Dutzend Doktoranden als Betreuer", sagt Hänsch. "Heute passt die Kiste auf einen Tisch." Ihr Hauptbestandteil ist ein Laser, der extrem kurze Lichtpulse aussendet.

Der Trick dabei: Die Pulse werden fest an die Laserstrahlung gekoppelt, die den Uhrentakt angibt. "So reduzieren wir das Problem, Schwingungen auszulesen, auf das deutlich einfachere Problem, Pulse abzuzählen", erläutert Hänsch. Weiß man etwa, dass der gepulste Laser zu jeder millionsten Schwingung des "Uhren- Lasers" einen Lichtblitz aussendet, ist klar, dass nach zehn Blitzen zehn Millionen Laserschwingungen erfolgt sind. Daraus lässt sich schließlich ableiten, wie viel Zeit vergangen ist.

Welche Ionen-Sorte am besten zu Hänschs Zählwerk passt, ist vorläufig noch offen. Geeignete Kandidaten müssen auf das Licht des Uhren-Lasers reagieren, sollten aber möglichst immun sein gegen Störeffekte durch die elektromagnetischen Felder der Teilchenfalle. Die Sekundendompteure an der PTB testen zurzeit Ytterbium-Ionen auf ihre Uhrentauglichkeit, am Max-Planck-Institut für Quantenoptik setzt man auf Indium und am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder experimentieren Zeitspezialisten mit Quecksilber-Ionen. Bislang laufen alle diese Geräte bestenfalls ein paar Stunden am Stück.

Gezähmte Zeit

Ihre Präzision ist jedoch schon jetzt ein "klein wenig höher als die von Cäsium-Fontänen", wie David Wineland bei ersten Vergleichsmessungen am NIST festgestellt hat. Dauerhaft eingependelt, werden die optischen Uhren in zehn Milliarden Jahren voraussichtlich höchstens eine Sekunde fehlgehen. Zurückgerechnet könnten sie dann die Zeit von der Gegenwart bis zu den Kindertagen des Universums auf die Sekunde exakt angeben.

Wieder einer jener überflüssigen Einträge für das Guinnessbuch der Rekorde? "Keineswegs", widerspricht Wineland. Der Physiker ist vom Gebrauchswert der neuen Zeitmesser überzeugt. "Selbst wenn der Nutzerkreis anfangs klein ist -- wann immer eine bessere Uhr erfunden wird, kommt sie letztendlich auch vielfältig zum Einsatz", lautet seine These.

Und ein Blick in die Geschichte scheint ihm Recht zu geben. Als beispielsweise Christiaan Huygens 1656 die erste Pendeluhr entwarf, wollte er mit dem sekundengenauen Messinstrument lediglich den Lauf der Sterne rekonstruieren. Der holländische Astronom ahnte sicher nicht, dass seine Kollegen rund zwei Jahrhunderte später den Spruch "Zeit ist Geld" wörtlich nehmen und von ihren Observatorien aus das Zeitsignal ihrer Präzisionspendel gegen Bezahlung telegrafisch an umliegende Städte weiterleiten würden; dass die Uhren eine wichtige Voraussetzung für die weltweite Vereinheitlichung der Zeit bilden würden; oder dass sie am Anfang des 20. Jahrhunderts den Arbeitsrhythmus in den Fabriken so stark prägen würden, dass der amerikanische Historiker Lewis Mumford die Uhr schließlich zur "wichtigsten Maschine des Industriezeitalters" ausrief.

Die Karriere der Quarzuhr startete ähnlich unspektakulär. Was inzwischen jedes Handgelenk ziert, begann 1928 als kühlschrankgroßer Trumm, der im Dienst der Wissenschaft Unregelmäßigkeiten der Erdrotation nachweisen sollte.

Auch die Atomuhr war zunächst nur für die Forschung gedacht. Den Erfindern ging es darum, Chronometer zu entwickeln, die als Schrittmacher stets vollkommen identische Teilchen enthielten und sich daher ohne Schwierigkeiten miteinander vergleichen ließen. Von der Erfindung der ersten Cäsium-Uhr dauerte es mehr als 15 Jahre, bis die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht 1967 mit den Geräten die offizielle "Standardsekunde" festsetzte.

Mittlerweile haben mehrere Elektronikkonzerne Atomuhren im Angebot. Trotz ihres stattlichen Preises von 25 000 bis 70 000 Euro sind die Präzisionsinstrumente an vielen Schaltstellen des technischen Lebens unentbehrlich geworden. So sitzt zum Beispiel eine Cäsium-Uhr in der Schweiz an einem Hauptknotenpunkt des europäischen Stromnetzes und sorgt dafür, dass die Netzfrequenz von 50 Hertz nicht außer Tritt gerät.

Gezähmte Zeit

Gleichzeitig steuern Atomuhren fast den gesamten digitalen Datenverkehr. Beim Telefonieren, Faxen oder beim Nachrichtenaustausch im Internet werden Informationen zumeist in eine Folge aus Nullen und Einsen umgewandelt und als kleine Datenpakete durch die Leitung geschickt. Fischt sich der Empfänger die Pakete nicht im selben Zeittakt aus der Leitung, wie sie vom Sender eingespeist werden, gehen ihm Daten verloren -- im Telefon ist ein Knacken zu hören.

Um solche Aussetzer zu vermeiden, haben sich die Telefongesellschaften auf einen international einheitlichen Genauigkeitsstandard geeinigt, mit dem sie die Uhren an den Relaisstationen ihrer Netze synchronisieren. Er liegt ungefähr um Faktor 10 unter dem, was handelsübliche Cäsium- Uhren momentan leisten können, und erlaubt Übertragungsraten von einigen Gigabit je Sekunde.

Würde man die Netze exakter takten, ließe sich der Datendurchsatz pro Sekunde vermutlich noch steigern -- ein denkbares Einsatzfeld für optische Uhren. "Bislang kommen wir mit Cäsium-Uhren allemal aus", sagt Norbert Riepl, Sprecher der Deutschen Telekom in Frankfurt. "Aber wenn es eines Tages optische Zeitmesser zu kaufen gäbe, würden sich die Telecoms vielleicht darauf einstellen und einen genaueren Zeitstandard einführen."

Noch wichtiger könnten die neuen Chronometer für die Navigation sein. Installiert in den 24 Satelliten des amerikanischen Global Positioning System (GPS) funken heute kommerzielle Atomuhren ständig ihre Zeit und ihre Position zur Erde. Aus der Verzögerung, mit der das Funksignal etwa bei einem Schiff ankommt, kann die Besatzung auf ihre Distanz zum jeweiligen Satelliten schließen und aus mehreren Signalen letztendlich berechnen, wo sie sich gerade befindet. Wie gut das Verfahren funktioniert, hängt außer von Störeinflüssen der Erdatmosphäre vor allem von der Leistungsfähigkeit der beteiligten Uhren ab.

Zurzeit lassen sich Positionen mittels GPS etwa auf einen bis zehn Meter exakt bestimmen. "Mit präziseren Zeitmessern wird das wahrscheinlich zentimetergenau möglich sein", sagt Dieter Isakeit von der European Space Agency Esa. Die Weltraumorganisation ist federführend am Aufbau des europäischen Navigationssystems "Galileo" beteiligt. Hätte die geplante Satellitenflotte besonders gute Uhren im Gepäck, so glaubt Isakeit, wäre das bei vielen Nutzanwendungen des Systems hilfreich, zum Beispiel bei der automatisch gesteuerten Landung von Flugzeugen oder beim Beobachten weit entfernter Raumsonden.

Keiner der professionellen Ausrüster von GPS oder Galileo denkt allerdings bisher ernsthaft daran, optische Chronometer in sein Entwicklungsprogramm aufzunehmen. "Zu unausgereift, zu kostspielig", lautet das vorläufige Urteil der Uhrenhersteller über die einige hunderttausend Euro teuren Labormodelle in den Forschungsinstituten.

Firmen wie Symmetricom oder Agilent Technologies beteiligen sich stattdessen lieber an den Plänen des amerikanischen Verteidigungsministeriums, eine briefmarkengroße Cäsium-Uhr zu konstruieren. Die Mini- Atomuhr soll rund 100 Dollar kosten und bequem in Handys oder GPS-Empfänger passen. "Von den Winzlingen können wir vermutlich an die tausend Stück im Jahr verkaufen", sagt Leonard Cutler, Leiter der Forschungslabore von Agilent in Palo Alto. "Der Markt für optische Uhren wäre dagegen sehr klein."

Gezähmte Zeit

Zumindest einen sicheren Kunden gäbe es jedoch. "Ich denke, dass wir auf die neuen Zeitmesser umstellen, sobald sie einigermaßen erschwinglich sind", sagt Wolfgang Schlüter von der Messstation Wettzell des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie. Der deutsche Geodät und seine Berufskollegen in aller Welt benutzen Cäsium-Uhren unter anderem, um den Abstand zwischen ihren Forschungsstationen regelmäßig millimetergenau abzugleichen. Aus den ermittelten Veränderungen können sie dann auf die Driftbewegung zwischen den Erdplatten schließen. "Optische Uhren würden uns vielleicht in die Lage versetzen, Höhen ebenso exakt auszumessen wie die Entfernungen zu Nachbarkontinenten", sagt Schlüter.

Die Idee dahinter stammt aus Albert Einsteins Kuriositätensammlung. Nach den merkwürdigen Spielregeln seiner Allgemeinen Relativitätstheorie verstreicht die Zeit in einem schwachen Gravitationsfeld schneller als in einem starken. Weil das Schwerefeld der Erde mit steigender Höhe abnimmt, vergeht die Zeit auf Bergspitzen ein wenig rascher als in den Tälern. Der Effekt ist zwar gering: Ein Meter Höhengewinn bewirkt gerade mal eine Zeitabweichung in der 16ten Stelle nach dem Komma.

Mit Uhren, deren Genauigkeit mindestens hundertfach darüber liegt, ließe er sich aber eindeutig feststellen. "Das hätte sicher Auswirkungen auf das Vermessungswesen", sagt Schlüter. "Exakte Höhenangaben werden schließlich überall gebraucht, im Straßenbau genau wie beim Berechnen von Satellitenbahnen."

Umgekehrt eignen sich die Uhren natürlich auch als Prüfstein für Einsteins Vorhersagen. Allgemeiner noch: Mit den feinsinnigen Messinstrumenten kann man das gesamte Theoriegebäude der modernen Physik auf Risse untersuchen, zum Beispiel testen, ob die fundamentalen Naturkonstanten tatsächlich über beliebige Zeiträume konstant sind. Wegen solcher Kontrollaussichten interessieren sich neben den staatlichen Zeitverwaltern immer mehr Grundlagenforscher für die Chronometer, darunter Atomphysiker, Teilchenexperten und Kosmologen.

Einige von ihnen tüfteln bereits an der übernächsten Uhrengeneration, die mit hochfrequenter Gammastrahlung getaktet sein soll, die also noch exakter ticken wird als ihr optischer Vorgänger. "Theoretisch, laut Schulphysik, gibt es für die Präzision beim Zeitmessen kein Limit", sagt Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Praktische Hindernisse werden dem Sekundenzerstückeln aber wohl mit der Zeit doch eine Grenze setzen: Irgendwann reagieren die Uhren so empfindlich auf Schwankungen im Gravitationsfeld der Erde, dass jeder Gezeitenwechsel, jedes Schlechtwettergebiet mit wasserschweren Regenwolken ihren Rhythmus durcheinander bringt. Selbst optische Uhren sind gegen solche Fehler nicht mehr ganz gefeit.

Gezähmte Zeit

Die meisten Zeitexperten vermuten deshalb, dass eine Neudefinition der Sekunde mit den optischen Chronometern frühestens in ein paar Jahren durchsetzbar sein wird. "Vorher müssen wir herausfinden", sagt Hänsch, "wie sich die sensiblen Geräte über alle Kontinente und Höhenunterschiede hinweg synchronisieren lassen."

Ein Problem, an das Sandford Fleming bei seinem Werben für ein weltweit abgestimmtes Zeitsystem gewiss nicht gedacht hatte. Der Ingenieur wollte schlicht das Alltagsleben seiner Mitbürger ein bisschen besser koordinieren. Heute indes: "Gravitationsverschiebungen", "milliardstel Sekundenbruchteile" -- von der tagtäglichen Zeitplanung hat sich das Finetuning der Uhren längst abgekoppelt.

Manche Wissenschaftler sehen sogar schon einen Gegentrend kommen: "Weil die meisten Menschen Handys haben, können sie sich jederzeit spontan verabreden und müssen keine punktgenauen Terminabsprachen mehr treffen", argumentiert etwa der Münchner Wirtschaftspädagoge Karlheinz Geißler. Allen Präzisionsbemühungen zum Trotz -- im Alltag habe die Pünktlichkeit nach der Uhr "ausgedient". Ob das dem akkuraten Fleming wohl gefallen hätte? (sma [1])

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