Neuer Rekord: Die mit Abstand genaueste Uhr der Welt

Eine Atomuhr auf der Basis des Schwermetalls Lutetium stellt einen Präzisionsrekord auf: Erst nach 55 Milliarden Jahren würde sie eine Abweichung von einer Sekunde zeigen. Zum Vergleich: Unser Universum ist 13,8 Milliarden Jahre alt. Damit ist die von Forschern der Universität Singapur entwickelte Uhr zehnmal genauer als die bislang besten Atomuhren. Dieser Sprung in der Genauigkeit könnte zu Fortschritten nicht nur in der Grundlagen-Physik, sondern auch bei praktischen Anwendungen führen, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt «Nature».

Schon heute sind Atomuhren in vielen Bereichen unseres Lebens unentbehrlich. Ohne sie gäbe es etwa keine Satellitennavigation - denn schon Abweichungen von einer Mikrosekunde führen zu Ortungsfehlern von mehreren hundert Metern. Atomuhren synchronisieren zudem das Internet, den Handel an den Börsen und sorgen für die Stabilität von Stromnetzen.

So funktionieren Atomuhren

Das Zentrum extrem genauer Atomuhren bildet jeweils ein Ion, also ein elektrisch geladenes Atom. Elektrische Felder halten es in einer Vakuumkammer fest, wo es von einem Laser beschossen wird. Hat dessen Licht die richtige Energie, springt ein Elektron in dem Ion auf ein höheres Energieniveau. Ein zweiter Laser prüft, ob das geschehen ist. Andernfalls wird der erste Leser automatisch nachjustiert. Diese Rückkopplung stabilisiert die Strahlung des Lasers.

Diese Strahlung enthält eine feste Anzahl von Schwingungen pro Sekunde und sie sind gewissermaßen das Pendel der Uhr: Die Anzahl der Schwingungen misst die Zeit. Bei einer Cäsium-Atomuhr sind es mehr als 9 Milliarden - 9.192.631.770 - Schwingungen pro Sekunde. Generell gilt: Je höher die Frequenz, desto genauer lässt sich die Zeit messen.

Das macht die neue Uhr so besonders

In der neuen Lutetium-Uhr schwingt die Laser-Strahlung 353,6 Billionen Mal pro Sekunde. Und im Gegensatz zu Atomuhren, die auf anderen Elementen basieren, ist sie wesentlich unempfindlicher gegen Temperaturänderungen und Magnetfelder. 

«Die Lutetium-Uhr bliebe sogar stabil, wenn man sie vom heißesten Ort auf der Erde, dem Death Valley, zum kältesten Ort auf dem Hochplateau der Antarktis bringt», sagt Murray Barrett von der Universität Singapur. 

Neue Nutzungsmöglichkeiten 

Um ihre Genauigkeit zu bestimmen, bauten Barrett und seine Kollegen zwei solche Uhren nebeneinander auf und verglichen die Zeitmessungen. Dabei stieß das Team auf ein unerwartetes Problem: Die Uhren sind so genau, dass sie schon auf geringe Höhenunterschiede reagieren. 

Denn wie die Relativitätstheorie von Albert Einstein zeigt, hängt die Zeit von der Schwerkraft ab. Da die Schwerkraft der Erde mit der Höhe abnimmt, laufen Uhren auf der Erdoberfläche langsamer als im Weltall. Bei einem geostationären Satelliten macht dieser Effekt etwa 50 Mikrosekunden pro Tag aus. 

Wie die Forscher berichten, führte bei den Lutetium-Uhren bereits ein Höhenunterschied von fünf Millimetern zu einem messbaren Unterschied und musste daher korrigiert werden. Die Forscher sehen darin aber eher einen Vorteil als einen Nachteil: Denn die Schwerkraft hängt nicht nur von der Höhe ab, sondern auch von der genauen Verteilung der Materie im Inneren der Erde. Deshalb könne man mit Lutetium-Uhren sogar Veränderungen in Magmakammern unter Vulkanen beobachten oder Rohstoffvorkommen kartieren.

Noch sind die Superuhren dafür allerdings zu groß und zu umständlich zu handhaben. Die Forscher wollen das System nun miniaturisieren und so eine transportable Lutetium-Uhr entwickeln.