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Der Norden Auf der Suche nach der exaktesten Uhr der Welt
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00:43 27.04.2018
David-Marcel Meier (29) ist einer der Doktoranden, die in Braunschweig an einer Kernuhr mit Thorium 229 forschen. Quelle: Samantha Franson
Braunschweig

 Mitten in einer 200 Quadratmeter großen Halle am Rande von Braunschweig-Watenbüttel steht sie: die genaueste Uhr Deutschlands, die Primäruhr, nach der sämtliche Funkuhren im Bundesgebiet ausgerichtet sind. Aber vielleicht wird diese Atomuhr schon bald von einer noch exakteren Kernuhr abgelöst – auf dem Weg dahin ist den Braunschweiger Forschern jetzt ein Durchbruch geschafft.

Die Wände der „Uhren-Halle“ in der physikalisch-technischen Bundesanstalt (PTB) sind mit Kupfer ausgekleidet. Der Raum hat ein extra gegossenes Fundament und ist durch einen Graben vom Rest des Gebäudes getrennt. Auf den Tischen finden sich Hunderte kleine Lupen, Spiegel, Lasergeräte. Es wird justiert und gemessen, experimentiert und dokumentiert.  Ein  Ticken ist nicht zu hören – dafür surrt die Klimaanlage: Auf exakt 23 Grad Celsius hat die PTB ihre Atomuhren temperiert.  „Wir wollen alle äußeren Störfaktoren ausschließen“, sagt Dr. Ekkehard Peik, wissenschaftlicher Leiter der Arbeitsgruppe „Zeit und Frequenz“ an der PTB. Erschütterungen, elektromagnetische Wellen, Materialausdehnung bei Hitze – nichts davon dürfe Einfluss auf die Apparaturen nehmen. 

Sekunde ist genau definiert

Peik ist seit rund 30 Jahren Forscher auf dem Gebiet der Metrologie, der Wissenschaft des exakten Messens. In seiner „Uhren-Halle“ geht es tagtäglich um nichts weniger als die Suche nach der exakten Sekunde. Jener Basiseinheit, die jeder Zeitrechnung zugrunde liegt. Eine Sekunde ist das Sechzigstel einer Minute? Von wegen: „Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-Fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 113Cs entsprechenden Strahlung.“ Diese Definition legte im Jahr 1967 die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris fest.

„Wir haben hier vier Atomuhren laufen“, sagt Peik. Die älteste stammt aus den Sechzigerjahren, die modernste, die sogenannte CSF2 von 2009, geht rechnerisch auf 100 Millionen Jahre nur eine Sekunde vor oder nach. Alle vier Atomuhren arbeiten mit Cäsium. Diese Atome geben beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen in ihrer Hülle elektromagnetische Wellen in einer bestimmten Frequenz ab. Diese Frequenz ist der Taktgeber.

Wichtig für GPS und Mobilfunk

„Im Alltag findet eine so genaue Messung keine Anwendung“, gesteht Peik lachend. Er weiß, dass sein Forschungsgebiet selbst an der Uni vielen Physikern unbekannt bleibt. Aber auch, wenn für die Handy- oder Küchenuhr eine Sekunde mehr oder weniger wohl kaum einen Unterschied machen dürfte, gibt es Bereiche, die auf eine exakte Zeitmessung angewiesen sind. Dazu zählten etwa Satelliten-Navigationsgeräte, also GPS, sagt Peik. Ein Empfänger im All erhalte dabei zumeist Signale von vier Satelliten gleichzeitig – die Laufzeit der Signale bestimme letztlich die Position auf der Erde. „Je exakter die Zeitmessung, desto exakter die Standortbestimmung.“ Nicht weniger sei das beim Mobilfunk notwendig oder überall, wo es um Netzwerke gehe, die miteinander kommunizieren.

Und so wundert es nicht, dass Peik und sein Team, im Kern vier Doktoranden und vier erfahrene Wissenschaftler, bereits seit 15 Jahren eine bestimmte Idee verfolgen: Während sich die Elektronen in der Hülle eines Atoms relativ frei bewegen und somit störanfällig sind, müsse sich doch eine Uhr entwickeln lassen, die die Schwingungen im Atomkern selbst misst. „Der Kern ist viel dichter und robuster“, sagt Peik. „Eine Kernuhr hätte wohl nur eine Sekunde Abweichung mit Blick auf das gesamte Lebensalter des Universums.“

Durchbruch mit UV-Strahlung

Der einzige Atomkern, der sich mit Lasertechnik zum Wechsel seines Energiezustands anregen ließe, ist Thorium 229. „Seit wir das wissen, forschen wir daran“, sagt Peik. 16 Forscherteams auf der ganzen Welt verfolgen dasselbe Ziel: die Thorium-Kernuhr aus der Theorie in die Realität zu holen. Den Forschern aus Braunschweig ist es in Kooperation mit Kollegen aus München, Darmstadt und Mainz jetzt gelungen, mittels ultravioletter Strahlung wichtige Eigenschaften des Thorium-Kerns zu bestimmen, wie die Größe und Form der rund 200 Teilchen im Kern. Nun ist es nur noch eine Frage der Zeit, bis die Forschung die passende Lasereinstellung für den Thorium-Kern findet, um die Kernuhr aufzuziehen. Ein Durchbruch.

„Wir könnten damit irgendwann große Rätsel und Fragen der Physik klären“, ist Peik überzeugt. So gehe beispielsweise die Relativitätstheorie davon aus, dass jede Uhr stets in Abhängigkeit zu ihrem Standort anders laufe. Aussagen der Quantenphysik sprechen allerdings gegen diese Annahme. Könnte Einstein also schon bald in Braunschweig widerlegt werden? „Sagen wir mal: ergänzt“, so Peik. Darum gehe es schließlich täglich in den Laboren und Büros der PTB, Abteilung „Zeit und Frequenz“: mit Experimenten Theorien zu verbessern – auf die Sekunde genau.

Das ist die physikalisch-technische Bundesanstalt

Die physikalisch-technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Seit 1947 hat die PTB ihren Hauptsitz in Braunschweig. Auf dem ein Quadratkilometer großen Gelände an der Bundesallee arbeiten heute rund 1500 Mitarbeiter in acht Abteilungen. Zwei weitere Abteilungen befinden sich mit 400 Mitarbeitern in Berlin. Die PTB gehört zu den international führenden Instituten in der Metrologie – der Wissenschaft des exakten Messens. Gesetzlich sind der PTB in Deutschland alle Aufgaben zur Darstellung und Weitergabe der Basiseinheiten übertragen worden – von der Sekunde über das Kilogramm bis hin zum Meter. Der Jahresetat der PTB liegt bei 210 Millionen Euro. Weitere 35 Millionen Euro werden jährlich an Drittmitteln für einzelne Forschungsprojekte eingeworben. Wer wissen möchte, wie eine Atomuhr tickt oder sich die vielen Labore der PTB einmal vor Ort anschauen möchte, kann sich für ein Besuchsprogramm anmelden. Alle Informationen dazu gibt es online auf www.ptb.de. Dort findet sich auch die Antwort auf die Frage, wie spät es gerade wirklich ist.

Von Carina Bahl

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