Ultrapräzise Uhren ersetzen Atomuhren
Zeitmessung
Die Österreichische Normalzeit wird derzeit von Atomuhren aus den 1980er Jahren gemessen. In den kommenden zwei Jahren sollen sie ausgemustert werden. Die Nachfolgerin, eine optische Uhr, ist bereits installiert und getestet: Sie geht 75.000-mal präziser als die Atomuhren.
Online seit gestern, 21.39 Uhr
Im Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV) in Wien-Ottakring wird der Takt für Österreich ermittelt. Hier im Uhrenlabor laufen zwei Atomuhren parallel: Die sogenannte „Master Clock“ ermittelt die Österreichische Normalzeit, eine weitere Atomuhr läuft als Backup parallel. Das Zeitsignal wird über das Internet an alle maschinellen Uhren gesendet, jeder Computer und jedes Handy im Land erhält die präzise Uhrzeit aus Wien-Ottakring.
„Das ist die Zeit, nach der sich Österreich zu richten hat“, erklärt BEV-Vizepräsident Robert Edelmaier, der in dieser Funktion Österreichs oberster Zeitmesser ist. Damit auch in Zukunft das ganze Land ein präzises Zeitsignal erhält, stehen dem BEV in den kommenden zwei Jahren umfangreiche Modernisierungsmaßnahmen ins Haus. Denn die beiden Atomuhren ticken seit den 1980er Jahren und sind in Sachen Präzision nicht mehr auf dem Stand der Zeit.
Optische Uhr 75.000-mal genauer als Atomuhr
Seit einem Jahr betreibt das BEV im Probebetrieb deshalb bereits eine optische Uhr. Optische Uhren gelten als wesentlich präziser als Atomuhren. Die am BEV durchgeführten Messungen während des ersten Jahres zeigten eine 75.000-mal höhere Präzision der optischen Uhr gegenüber den Atomuhren.
Das bedeutet: Wäre eine Atomuhr seit dem Beginn des Universums vor rund 13,8 Milliarden Jahren gelaufen, dann ginge sie heute um drei Stunden falsch. Eine optische Uhr wäre im gleichen Zeitraum gerade einmal eine Sekunde falsch gegangen. „Man sieht, hier ist wirklich ein großer Sprung in der Genauigkeit vorwärts gelungen“, sagt Edelmaier gegenüber ORF Wissen.
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Zur Bestimmung der Zeit nutzt die optische Uhr Ytterbium-Ionen, die mit Laserstrahlen bestrahlt werden. Anders als die Cäsium-133-Atome, die in Atomuhren verbaut sind, schwingen Ytterbium-Ionen schneller. Deshalb kann die optische Uhr die Zeit präziser messen als Atomuhren.
Sekunde soll international neu definiert werden
„Die Zeitmessung hat sich in den letzten Jahren und Jahrzehnten drastisch verändert“, sagt Edelmaier. Gleichzeitig verlange die zunehmende Digitalisierung nach immer präziseren Zeitstempeln im Datenverkehr. Ein Zeitsignal durch eine optische Uhr werde daher vor allem im Forschungsbereich immer wichtiger, sagt Edelmaier. Er will die optische Uhr „in den nächsten ein bis zwei Jahren“ an die Österreichische Normalzeit anschließen.
Österreich wäre dann das fünfte Land, das seine Normalzeit mit optischen Uhren ermittelt. Mittelfristig werde sich die optische Uhr in Ländern mit Hochtechnologieforschung durchsetzen, sagt Edelmaier. Damit wird auch die Weltzeit, die aus der Summe der nationalen Normalzeiten besteht, immer stärker von optischen Uhren bestimmt.
In den kommenden Jahren will die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM), in der Edelmaier Österreich vertritt, die Zeiteinheit der Sekunde neu definieren. Seit 1967 war die Länge einer Sekunde von Cäsium-133-Atomuhren definiert gewesen. In den kommenden Jahren soll die Definition auf eine optische Uhr umgestellt werden. „Wichtig für ein einheitliches Messen weltweit ist, sich auf eine einheitliche Basis beziehen zu können“, begrüßt Edelmaier den Vorstoß. Würde man die Sekundendefinition nicht ändern, dann würden sich technische Systeme zunehmend auseinander entwickeln.
Kopf altert schneller als Füße
Die optische Uhr ist derart präzise, dass sie sogar Höhenunterschiede im Zentimeterbereich messen kann. Nach Einsteins Relativitätstheorie sind Raum und Zeit miteinander verknüpft und bedingen einander. Das hat zur Folge, dass die Zeit am Berg schneller vergeht als im Tal, weil die Gravitation am Berg etwas schwächer wirkt als im Tal. „Diesen Unterschied kann man tatsächlich mit der optischen Uhr messen“, erklärt die Leiterin der Zeitabteilung am BEV, Petra Milota.
Schon Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern zeige die Uhr an. Milota konnte anhand der Zeitmessungen von optischen Uhren sogar berechnen, dass Kopf und Füße unterschiedlich schnell altern, weil die Zeit in Kopfhöhe schneller vergeht als am Fußboden. „Wenn ich 80 Jahre alt werden würde, dann wäre mein Kopf um 80 Nanosekunden älter als meine Füße“, sagt Milota.
Höhenmessung mit Uhr möglich
Aufgrund dieser Präzision wäre es theoretisch denkbar, die optische Uhr auch für relative Höhenmessungen einzusetzen. Das Problem ist allerdings, dass optische Uhren sehr groß und empfindlich sind. Sie können nur in abgeschirmten Räumen betrieben werden, weil selbst Licht- und Schallwellen die Messungen stören können. Optische Uhren gelten deshalb zwar als hochpräzise Messinstrumenten in Uhrenlabors, aber nicht als alltagstauglich.
Eine vielversprechende Alternative könnte unterdessen die vor Kurzem an der Technischen Universität Wien vorgestellte erste Atomkernuhr der Welt darstellen. Sie verwendet in Kristall eingeschlossene Atomkerne zur Zeitmessung und ist damit wesentlich resilienter gegenüber Umwelteinflüssen. Gleichzeitig soll sie ähnlich, wenn nicht sogar noch präziser als optische Uhren messen können. In fünf bis zehn Jahren könnte die Atomkernuhr laut aktueller Schätzungen auf den Markt kommen.