Optische Atomuhren sind unsere genauesten Zeitgeber. Sie ermitteln die Zeit über die Zustandswechsel ultrakalter Strontium- oder Ytterbium-Atome. Die in einem Lasergitter eingefangenen Atome werden dafür mit einem zweiten Laser bestrahlt und so zum Wechsel ihres Energiezustands angeregt. Die Lichtfrequenz, bei der die Atome ihren Energiezustand wechseln, dient als Referenz für die Sekunde. Die hohe Genauigkeit solcher Uhren macht sie jedoch auch zu wichtigen Helfern der physikalischen Forschung und sogar der Geodäsie. Denn mit ihnen lässt sich auch die gravitative Zeitdehnung messen. Dieser schon von Albert Einstein postulierte Effekt bewirkt, dass die Zeit in der Nähe großer Massen und damit hoher Schwerkraft langsamer vergeht als bei geringerer Schwerkraft. Diese Zeitdehnung wurde bereits in den 1970er Jahren durch Messungen in Flugzeugen und auf Satelliten nachgewiesen. Dank neuer optischer Atomuhren lässt sich dieser Effekt inzwischen sogar bei Höhenunterschieden von nur wenigen Millimetern messen – allerdings nur unter optimalen Bedingungen im Labor.
Zeitdehnung, Glasfasernetze und eine mobile Strontium-Uhr
Deutlich schwieriger ist es, die Zeitdehnung an weiter auseinanderliegenden Orten und außerhalb eines Labors zu ermitteln. Doch gerade solche Messungen könnten auch für die Vermessung des irdischen Schwerefelds oder die Kartierung von Höhen nützlich sein. Auch der Meeresspiegel könnte genauer überwacht werden, indem Pegel besser vernetzt oder sogar mit einem nahezu unveränderlichen Referenzpunkt im Weltraum verglichen werden. Basis dafür bilden die winzigen relativistischen Zeitunterschiede, aus denen sich ermitteln lässt, wie groß der Höhenunterschied zwischen zwei Messtandorten ist. Allerdings erfordert dies extrem genaue Atomuhren und eine Möglichkeit, ihre Messungen präzise miteinander zu synchronisieren.
„Wir haben eine Lösung dafür: optische Atomuhren, die über Glasfasern miteinander verbunden sind“, erklärt Seniorautor Christian Lisdat von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. „So können wir über das sogenannte chronometrische Nivellement die Unterschiede im Schwerefeld der Erde direkt und sehr genau durch Unterschiede in den Frequenzen der Uhren messen.“ Basis für die aktuelle Messung bilden die hochgenauen optischen Atomuhren der PTB in Braunschweig sowie ein Glasfasernetzwerk, mit dem diese Uhren mit mehreren Partner-Messinstituten in Europa verbunden sind. Dies erlaubt den Abgleich der Zeitmessung auch über größere Entfernungen hinweg.
Um jedoch auch die Zeitdehnung und damit indirekt die Höhenunterschiede weiterer Orte zu messen, hat das PTB-Team schon vor einigen Jahren auch eine mobile optische Atomuhr konstruiert. Der gesamte Aufbau dieser Strontium-Atomuhr samt feinst justierten Lasern und Kühlaggregaten ist in einem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten PKW-Anhänger untergebracht. 2018 gelang es dem Team mit dieser mobilen Atomuhr erstmals, den gravitativen Zeitunterschied zwischen einem Alpentunnel und der rund tausend Meter tiefer liegenden Stadt Turin zu messen.
