Technologie Die Vermessung der Unbekannten

Deutsche Physiker entwickeln optische Uhren, die die Zeit künftig tausendmal genauer bestimmen sollen als Atomuhren. Ein wichtiger Fortschritt. Denn die Möglichkeiten der Anwendung sind groß. Wie Wissenschaftler in eine neue Dimension der Zeitmessung vordringen.
  • R. Wengenmayr
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Zeitmessung im 21. Jahrhundert: Die Vakuumkammer der Braunschweiger Gitteruhr. Quelle: C. Lisdat, Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Zeitmessung im 21. Jahrhundert: Die Vakuumkammer der Braunschweiger Gitteruhr.

DÜSSELDORF. Zeit sei, was man an der Uhr ablese, sagte einst Albert Einstein. Für den radikalen Denker, der Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit verschmolz, ist das eine erstaunlich pragmatische Feststellung. Doch Einstein wusste, dass die Physik das Wesen der Zeit nicht beschreiben kann. Das gilt auch heute noch.

Trotzdem kann man die Sekunde inzwischen weitaus präziser messen als jede andere physikalische Einheit: Bis auf 15 Stellen hinter dem Komma genau schaffen es die besten Atomuhren. Sie würden selbst nach einer Million Jahren Betriebszeit um weniger als eine Zehntelsekunde falsch gehen. Zum Vergleich: Gewöhnliche Quarzuhren vertun sich um bis zu 30 Sekunden pro Monat.

Noch tausendmal genauer soll die nächste Uhrengeneration ticken. An diesen "optischen" Uhren forschen Ekkehard Peik und seine Kollegen an der Physikalisch Bundesanstalt-Technischen (PTB), Prototypen haben die Braunschweiger bereits gebaut. Der Leiter des Fachbereichs "Zeit und Frequenz" steht damit in der Tradition des legendären britischen Uhrenerfinders John Harrison (1693-1776), der mit seinen ausgefeilten Schiffsuhren das Problem der Längengrad-Messung löste.

Damals wie heute gilt: Je präziser eine Uhr ist, desto genauer kann man damit geografische Positionen bestimmen. Auch heute ist Navigation ein wichtiges Anwendungsgebiet ultrapräziser Zeitmessung. Moderne Navigationssatelliten sind fliegende Atomuhren, die Zeitsignale senden. Aus deren Laufzeitunterschieden errechnet das "Navi" seine Position.

Wer optische Uhren bauen will, bewegt sich an der Grenze der physikalischen Experimentierkunst. Wie zu Harrisons Zeiten bestehen auch heutige High-Tech-Uhren aus einer Art Pendel und einem Uhrwerk. Das Pendel gibt mit seinen Schwingungen die Zeitschritte vor. Diese zählt das Uhrwerk mit und macht daraus eine Zeitanzeige. Außerdem muss das Uhrwerk das Pendel gleichmäßig in Schwung halten. Je schneller und gleichförmiger eine Uhr tickt, desto feiner und präziser teilt sie auch die Zeit ein.

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