ENERGIENIVEAUS, FONTÄNEN UND ... - SAS thinkforward

Zeitreich
KURZ UND KNAPP
/ Eine Sekunde in 100 Millionen Jahren – soviel Aus-Zeit nehmen sich
die genauesten Atomuhren der Welt.
/ Vier dieser Atomuhren stehen in Braunschweig und bestimmen auch
den Takt des digitalen Zeitalters.
Wie lange ist eine Sekunde? Eine Ewigkeit, sagt der
100-Meter-Sprinter – er hat jahrelang trainiert, um eben
diese Sekunde weniger für den Lauf zu brauchen. Ein
Nichts, sagt der Archäologe – er ist schon stolz darauf, Fundstücke
ins richtige Jahrzehnt einordnen zu können. Keine Ermessensfrage,
sagt der Physiker. Für ihn ist eine Sekunde eine definierte Maßeinheit.
Und zwar die wohl am genauesten realisierte weltweit. Da bleibt kein
Raum für subjektive Relativierung. Und doch arbeiten Physiker weltweit
daran, die Sekunde noch genauer messen zu können. Die Hartnäckigkeit,
mit der sie das tun, rührt nicht nur von einem unstillbaren
Perfektionismus her. Hier geht es um Grundlagenforschung, um den
Willen, die Natur immer besser zu verstehen. Und nicht zuletzt ist die
präzise Bestimmung der Zeit auch eine nationale Prestigefrage. Weltweit
laufen zwölf hypergenaue primäre Atomuhren quasi in einem Wettlauf
um Nanosekunden. Und Deutschland spielt hier ganz vorne mit.
Die deutschen Spitzenuhren findet man in Braunschweig, in der Bundesallee
100. Dort, in der sorgfältig von der Umwelt abgeschirmten
Uhrenhalle der PTB, leben drei Generationen von Uhren unter einem
Dach. „Leben“ ist hier das richtige Wort, obwohl es sich natürlich nur
um Gegenstände handelt. Aber die Braunschweiger Uhren leben in
zweierlei Hinsicht: Erstens arbeiten sie unermüdlich, und zwar sehr
genau, und zweitens werden sie von ihren Betreuern ständig weiterentwickelt,
verbessert und verfeinert. Ein unaufhörlicher Reifeprozess
ist das, der dazu führt, dass die Zeitmessung immer zuverlässiger und
genauer wird. Während früher die Sekunde relativ ungenau als ein
bestimmter Teil des Sonnentags oder des Jahres definiert wurde, begann
1967 eine neue Zeitrechnung: Von nun an wurde die Zeiteinheit
Sekunde auf eine völlig andere, wesentlich genauere Basis gestellt.
Ihre offizielle internationale Definition lautet jetzt: „Die Sekunde ist
das 9 192 631 770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen
den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von
Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.“ Ein für den
Laien völlig unverständlicher Satz, und doch steckt hinter ihm nicht
viel mehr als die Vorschrift, Strahlung, die Cäsiumatome unter bestimmten
Bedingungen absorbieren, zur Messung der Sekunde zu
verwenden. Strahlung? Für die Sekunde? Wie soll Strahlung eine Zeiteinheit
definieren?
24 / thinkforward 2.2012 / www.sas-thinkforward.de
Nun, man kann sie als elektromagnetische Welle betrachten, die in
einem ganz bestimmten Rhythmus schwingt. Also zum Beispiel 9 192
631 770-mal pro Sekunde. Diese spezielle Strahlung entsteht bei
einem Naturvorgang: Dann nämlich, wenn ein Cäsiumatom einen
Quantensprung macht und von einem angeregten Energiezustand in
einen nicht angeregten Zustand springt. Energie kann nicht verschwinden,
deshalb gibt das Atom die Differenzenergie in diesem Fall
als Mikrowellenstrahlung nach außen ab. Indem man Atomen genau
diese Mikrowellenstrahlung zuführt, kann man ein Atom umgekehrt
auch auf den höheren Energiezustand heben, während die Strahlung
absorbiert wird. Es gibt nichts Exakteres in der Natur als die Frequenz
von solchen Quantensprüngen. Eine gute Idee also, sie zur Definition
der Zeit zu benutzen.
Auf milliardstel Sekunden genau
Die praktische Umsetzung dieser Idee geschieht in der Atomuhr. „Aus
einer Reihe von physikalischen Gründen hat man sich dazu entschieden,
Atomuhren mit Cäsium zu betreiben“, sagt der PTB-Forscher
Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitübertragung. Die erste
Generation von Atomuhren, die so genannten Strahluhren, erzeugen
also einen Strahl von Cäsiumatomen und sorgen dann dafür, dass
diese beim Durchfliegen des Apparates mit Mikrowellen bestrahlt
werden, die genau so beschaffen sind, dass sie die Atome dazu bringen,
auf das höhere Energieniveau zu springen. Eine raffinierte Anordnung
sortiert dann all diese aus, fängt sie auf und zählt sie. Wenn
die Ausbeute maximal ist, entspricht die Mikrowellenstrahlung im
Apparat dem atomaren Übergang. Eine Rückkopplung hält die Frequenz
der Mikrowelle, die über eine elektronische Schaltung von
einem Schwingquarz abgeleitet wird, immer genau auf diesem Wert.
4 FRAGEN AN ...
Dr. Stefan Weyers, Leiter der Arbeitsgruppe
Zeitnormale, PTB Braunschweig
Der Nutzen einer einheitlichen Welt-Zeit leuchtet sofort ein.
Aber: Muss es auf Nanosekunden genau sein?
GPS, Netzwerke, Handys: Sie alle würden ohne eine hochgenaue Taktung
nicht zuverlässig funktionieren. Dafür braucht es einen gemeinsamen
Nenner, und der ist eben die Zeit. Dafür betreibt die Industrie teilweise eigene
Atomuhren, wie sie frei käuflich sind. Nur – wer kontrolliert und synchronisiert
diese Uhren? Hier kommen die primären, supergenauen Uhren
ins Spiel, wie wir sie hier in Braunschweig betreiben. Daneben liefern
wir auch einen wichtigen Beitrag zur Grundlagenforschung in der Physik.
Wir helfen der „Scientific Community“ dabei, die Natur noch besser zu