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Atomuhr im Alpentunnel

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Blick ins Innere des Anhängers mit der transportablen optischen Strontiumuhr. (Foto: PTB)
Statt in einem geschützten Labor haben Forscher erstmals eine optische Atomuhr mitten in einem französischen Alpentunnel aufgestellt. Ziel war es, mit der auf einem Autoanhänger untergebrachten Strontium-Atomuhr die von Einstein vorhergesagte Wirkung der Schwerkraft auf die Zeit zu messen. Und es gelang: Im Vergleich zu einer 1000 Höhenmeter tiefer aufgestellten Referenzuhr lief die Zeit auf dem Berg ein winziges Bisschen schneller. Damit ist die erste Messung der relativistischen Zeitverzerrung mittels einer transportablen optischen Atomuhr gelungen.

Seit Albert Einstein wissen wir, dass die Zeit keine absolute Größe ist: Bewegt sich ein Körper mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, vergeht für ihn die Zeit langsamer. Auch durch eine höhere Schwerkraft wird die Zeit gedehnt – zu diesem Effekt der Gravitation kommt es sogar auf der Erde: Weil auf einem Berggipfel die Schwerkraft ein wenig geringer ist als im Tal, läuft eine dort platzierte Uhr ein winziges bisschen schneller als die Uhr im Tal – theoretisch. Doch lange war dieser Effekt nicht messbar. Zwar sind modernste Atomuhren wie die Strontium-Atomuhren inzwischen präzise genug, um diese gravitationsbedingten Zeitdehnungen zu messen, bisher aber ließen sich diese komplexen und hochsensiblen Apparaturen nur in speziellen Labors betreiben. Sie auf einen Berggipfel zu bringen, war lange undenkbar.

Atomuhr im Autoanhänger

Doch jetzt hat sich dies geändert. Denn Wissenschaftler an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben eine mobile Strontium-Atomuhr konstruiert: Der gesamte Aufbau samt feinst justierter Laser und Kühlaggregate ist in einem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten PKW-Anhänger untergebracht. Das Messprinzip der optischen Atomuhr: Einige tausend Strontiumatome werden bis nahe an den absoluten Nullpunkt heruntergekühlt und dann in winzigen pfannkuchenförmigen Fallen aus Laserlicht festgehalten. Die gefangenen Atome werden dann mit sehr stabilem roten Laserlicht bestrahlt und so zum Wechsel ihres Energiezustands angeregt. Dieser Wechsel findet bei einer Frequenz des Laserlichts von 430 Billionen Schwingungen pro Sekunde statt – dies entspricht dem „ticken“ der Uhr. Das Wichtige dabei: Diese Strontium-Uhr ist so präzise, dass mit ihr die relativistische Zeitdehnung messbar wird.

Für die erste internationale Messkampagne mit dieser Atomuhr wurde sie in ein Untergrundlabor mitten im Fréjus-Tunnels in den französischen Alpen gefahren. Während die mobile Uhr dort aufgestellt wurde und die Zeit maß, führten die Wissenschaftler eine Vergleichsmessung im 90 Kilometer entfernten Turin durch – einem Ort, der 1000 Meter niedriger liegt als der Bergtunnel. Der genaue Uhrenvergleich wurde möglich durch eine 150 Kilometer lange Glasfaserverbindung. Der Vergleich beider Uhrenwerte ermöglicht es, wie winzigen, durch die unterschiedlich starke Schwerkraft an beiden Orten bewirkten Zeitverschiebungen zu messen. „Das ist die erste Feld-Messkampagne mit einer transportablen Strontium-Atomuhr“, konstatieren Jacopo Grotti von der PTB und seine Kollegen.

Erste Messung gelungen

Und tatsächlich: Trotz wenig idealer Bedingungen im Tunnel klappten die Messungen. Den Forschern gelang es, durch ihren Uhrenvergleich die gravitationsbedingte Zeitdehnung nachzuweisen und zu messen. „Wir haben eine relativistische Rotverschiebung von 47,92 Hertz gemessen“, berichten sie. „Daraus ermitteln wir einen Unterschied im Gravitationspotenzial von 10.032 Quadratmetern pro Quadratsekunde.“ Dieser Wert entspreche sehr gut den mit klassischen Methoden ermittelten Schwerkraftunterschieden zwischen beiden Standorten. „Damit ist dies die erste Demonstration einer chronometrischen Höhenbestimmung mithilfe einer transportablen Atomuhr“, konstatieren Grotti und seine Kollegen.

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Das aber bedeutet: Genauigkeitsverbesserungen bei der transportablen optischen Uhr vorausgesetzt, hat diese Methode das Potential, Höhenunterschiede auf der Erdoberfläche von nur wenigen Zentimetern bestimmen zu können. Sie ist damit genauer als Satellitenmessungen und könnte künftig feinere Messungen des Gravitationspotentials der Erde ermöglichen. Damit wären Wissenschaftler beispielsweise in der Lage, Veränderungen des Meeresspiegels und der Ozeanströmungen mit bisher unerreichter Genauigkeit zu überwachen. „Optische Atomuhren gelten als die Uhren der Zukunft – und dies nicht nur im Labor, sondern auch als mobile Hochpräzisionsinstrumente“, erklärt Christian Lisdat von der PTB.

Solche Atomuhr-gestützten Höhenmessungen könnten künftig auch helfen, Fehler bei länderübergreifenden Bauvorhaben zu vermieden. Denn bisher nutzen verschiedenen Länder unterschiedliche Meeresspiegelwerte als Referenz für ihre Höhenmessungen. Das hat bereits zu Problemen geführt, etwa beim Bau der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz, wo die Höhe der beiden Brückenteile um gut 50 Zentimeter unterschiedlich war. Durch Atomuhr-gestützte Höhenmessungen ließe sich das System vereinheitlichen und damit könnten solche Probleme bei Ingenieurs- und Konstruktionsprojekten vermieden werden, wie die Forscher erklären.

Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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