Zeit - Warum und wie die Zeit gemacht wird

Robert Wynands, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitnormale der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, steht hier vor den Zeigern der internationalen Atomzeit (TAI), Weltzeit (UTC) und der mitteleuropäischen Sommerzeit (MESZ). Er hat in Aachen, Pasadena (USA) und München Physik studiert und dort beim späteren Nobelpreisträger Theodor Hänsch promoviert. Nach verschiedenen Stationen im In- und Ausland trat Wynands (Jahrgang 1962) vor drei Jahren in die PTB ein. Dort ist er für die besten Atomuhren Deutschlands zuständig.

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Zeitgenau auf 15 Stellen

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt gilt als Hüterin der Zeit in Deutschland. Und sie beschäftigt Wissenschaftler, deren Ziel es ist, Zeit immer genauer zu messen. Wozu das gut ist, erklärt Dr. Robert Wynands.

bild der wissenschaft: Am 29. Oktober endet wieder einmal die mitteleuropäische Sommerzeit, die vor 26 Jahren eingeführt wurde. Hat es bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt irgendwann Probleme mit der Zeitumstellung gegeben, Herr Dr. Wynands?ROBERT WYNANDS: Aus Sicht der PTB hat die Umstellung immer perfekt funktioniert.

Woran liegt es dann, wenn sich am 29. Oktober Punkt 3 Uhr nicht alle Funkuhren auf 2 Uhr zurückstellen? Damit die Batterie geschont wird, haben die meisten batteriebetriebenen Funkuhren ihr Empfangsteil nicht die ganze Zeit an, sondern orientieren sich oft nur einmal am Tag am aktuellen Funksignal. Erst dann kann sich die Uhr umstellen.

Haben sich die Funksignale seit 1980 verändert? Die Signale, die die Zeitinformation tragen, sind gleich geblieben. Allerdings gibt es 14 Extrabits, die für die Zeitübertragung nicht gebraucht werden und zu unterschiedlichen Zwecken belegt werden können. Zurzeit sind sie allerdings nicht besetzt.

Was könnte da mitgefunkt werden? Warnmeldungen beispielsweise. Im vergangenen Jahr gab es einen solchen Feldversuch. Man hat dazu spezielle Empfänger verteilt und geprüft, ob die Signale überall ankommen. Grund für die Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit war die Hoffnung, Energie zu sparen. Nach allem, was ich dazu weiß, spart man aber nichts. In den USA wird ab 2007 die Sommerzeit drei Wochen früher anfangen und eine Woche länger gehen. Begründet wird diese Umstellung damit, dass für jeden Tag Verlängerung 100.000 Barrel Öl eingespart werden. Aber auch bei der Verkehrssicherheit hat sich die Sommerzeit bewährt: Zur abendlichen Rushhour beispielsweise ist es noch hell, und es gibt weniger Unfälle. Die PTB wird immer wieder als Hüterin der Zeit bezeichnet.Ein schöner Begriff. Das ist aber nur ein Teil unserer Aufgaben. Die PTB ist Hüterin aller physikalischen Basiseinheiten. So lagern bei uns die nationalen Kopien des Urkilogramms. Außerdem sorgen wir letztlich dafür, dass ein Kilo Äpfel im Supermarkt wirklich ein Kilogramm ist, ein Liter Sprit wirklich ein Liter und ein Blutdruck von 120 zu 80 wirklich 120 zu 80. Sie sehen, unsere Aufgaben gehen über das reine Bewahren der Einheiten hinaus.

Was gibt es speziell bei der Zeit zu hüten? Die Zeit ist eine ganz besondere Messgröße. Wenn man die Länge eines Metallstabs ausmessen will und etwas geht dabei schief, kann man die Messung einfach wiederholen. Wenn aber bei der Zeitmessung etwas schief geht, ist diese Chance unwiederbringlich verloren, denn die Zeit, auf die es ankam, ist dann bereits Geschichte. Insofern darf bei der Zeitmessung wirklich überhaupt nichts schief gehen. Deutschland gehört zu den sieben Ländern, die Metrologie auf dem allerhöchsten Niveau pflegen, indem sie so genannte primäre Atomuhren betreiben. Die anderen Länder sind die USA, Großbritannien, Frankreich, Italien, Japan, und demnächst wird auch Südkorea dazugehören.

Seit wann gibt es Atomuhren? Die Cäsium-Atomuhren, die heute im übertragenen Sinne die wesentliche Last der Zeit tragen, sind jetzt 51 Jahre alt. Erfunden wurden sie von den Herren Parry und Essen, die am National Physical Laboratory, dem britischen Gegenstück zur PTB, gearbeitet haben. Der Begriff Atomuhr ist zweischneidig. Er klingt nach radioaktiver Strahlung. In der Tat meinen viele, Atomuhren hätten etwas mit Kernkraft zu tun. Dabei ist das Cäsium in unseren Atomuhren weder radioaktiv noch giftig. Eine Atomuhr können Sie sich ruhig ins Schlafzimmer stellen – und auch leisten: Es gibt Atomuhren, die geben die Zeit auf 11 Stellen genau an und kosten nur ein paar Hundert Euro. Solche Uhren werden in großer Stückzahl für die Synchronisation von Telekommunikationsnetzen gebraucht. Die exakte Übermittlung hoher Datenraten etwa im Mobilfunknetz wäre ohne Atomuhren unmöglich. Sie können sich per Katalog aber auch Atomuhren bestellen, die 60.000 Euro kosten. Da stimmen die Sekunden auf fast 13 Stellen genau. Wenn Sie aber auf 15 oder gar 16 Stellen genau sein wollen, brauchen Sie große aufwendige Apparaturen, die nur in den wenigen metrologischen Forschungsinstituten der Welt betrieben werden können.

Wie viele Atomuhren hat die PTB? In unserer Uhrenhalle sind es zehn verschiedenster Bauart, und dann stehen nochmals drei beim Langwellensender DCF77 in Mainflingen bei Frankfurt. Von den Atomuhren der Top-Kategorie gibt es weltweit nicht mal zehn Stück. Die firmieren unter der Bezeichnung Cäsium-Fontänen-Uhren.

Warum setzt man bei den anspruchsvollsten Uhren auf das Cäsium-Atom als Taktgeber?Cäsium ist Mitte der Fünfzigerjahre ausgewählt worden, weil die interne Schwingung des Atoms sehr hochfrequent ist. Mit rund neun Milliarden Schwingungszyklen pro Sekunde war Cäsium damals der bestmögliche Kandidat, auch aus technischer Sicht. Aber auch von heute aus betrachtet ist die Wahl des Cäsiums absolut genial – aus Gründen, die man damals nicht wissen konnte. Denn seit 15, 20 Jahren sind wir in der Lage, Cäsium-Atome mit Laserlicht so gut zu manipulieren wie kaum ein anderes Atom. Dieser Glücksfall hat uns die Cäsium-Fontänen-Uhren ermöglicht. Sie sind um den Faktor 50 besser als alle anderen anspruchsvollen Atomuhren.

Was ist der Trick dabei? Wir kühlen die Atome mit Laserlicht ab – auf zwei Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Dann werfen wir sie mit dem Laser für etwa eine halbe Sekunde hoch – nicht anders als man einen Stein mit Körperkraft in die Luft wirft. So lange die Atome frei fliegen, lassen sie sich über Mikrowellen anregen.

Das soll jemand verstehen! Dann hole ich etwas weiter aus. Eine Uhr besteht eigentlich nur aus zwei Baugruppen: Dem Frequenzstandard und dem Zählwerk beziehungsweise Uhrwerk. Bei der altehrwürdigen Pendeluhr ist der Frequenzstandard das Pendel, das möglichst unbeeinflusst von äußeren Umständen gleichmäßig schwingen soll. Das Uhrwerk zählt die Schwingungen und übersetzt sie in die abgelaufene Zeit. Bei der Pendeluhr ist das etwa eine Schwingung pro Sekunde, bei der Quarzuhr sind es 32.768 Schwingungen, die man abzählen muss, bis eine Sekunde um ist. Bei der Cäsium-Atomuhr nutzen wir eine innere Schwingung im Cäsiums-Atom aus. Dabei ist nach 9 ,192.631.770 Schwingungen die Sekunde um. Diese Schwingung im Atom können wir anregen, indem wir eine Mikrowelle mit eben genau dieser Frequenz einstrahlen. Die Mikrowellenfrequenz können wir natürlich umso genauer auf die interne Frequenz des Cäsium-Atoms abstimmen, je länger die beiden Partner miteinander agieren. In traditionellen Atomuhren werden Cäsium-Atome verdampft. Durch die dabei auftretenden raschen Bewegungen hat man nur etwa eine Hundertstelsekunde Zeit, um zu sehen, ob die Mikrowellenfrequenz richtig ist. Durch den Lasereinsatz lässt sich diese Zeitspanne deutlich ausdehnen. Das führt unmittelbar zur besseren Abstimmung der Eigenschwingung des Cäsiums-Atoms und der Anregung durch die Mikrowelle. Das Ganze läuft gepulst ab: Wir werfen die Atome mit dem Laser hoch, lassen sie fallen, fangen sie wieder ein, werfen sie hoch, lassen sie runter fallen und so fort. Weil dieser Vorgang an einen Springbrunnen erinnert, nennt man die Uhren Fontänenuhren. Es gibt sie seit 15 Jahren.

Sie sind also ausgereift? Tatsächlich werden sie immer besser. Da wird man noch einiges rausholen.

Wozu ist das nötig? Die Fontänenuhren nutzen der Grundlagenforschung. Wir machen zum Beispiel Experimente, mit denen wir herausfinden wollen, ob Naturkonstanten wirklich konstant sind. Und dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf die so genannte Feinstrukturkonstante. Da man aber nie weiß, was zukünftig auch zu ganz praktischen Zwecken gebraucht wird, ist es unsere Aufgabe, die Zeitmessung so weit zu verfeinern, wie es technisch überhaupt möglich ist. Ein gutes Beispiel ist die heute überall eingesetzte Satellitennavigation. Sie ist nur deshalb so exakt, weil die Bodenstationen mit Atomuhren arbeiten, die auf 14 Stellen genau sind.

Immer häufiger ist neuerdings die Rede von optischen Uhren, die mit ihrer Genauigkeit alles Bisherige in den Schatten stellen sollen. Auch der letztjährige Physiknobelpreisträger Theodor Hänsch beschäftigt sich mit diesem Thema. In der Grundlagenforschung ist alles willkommen, was exakter ist. Insofern werden optische Uhren eines Tages sicher die Fontänenuhren verdrängen. Alle Wissenschaftler, die sich mit den Naturkonstanten beschäftigen, werden Uhren begrüßen, die vielleicht auf 18 Stellen hinter dem Komma genau sind. Auch ich persönlich finde den Gedanken faszinierend, es könnte uns gelingen nachzuweisen, dass Naturkonstanten eben doch keineswegs konstant sind.

Das Gespräch führte Wolfgang Hess für bild der wissenschaft 11/2006

Robert Wynands: S.Kröger

Atomuhr: S. Kröger