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StartseiteWissenschaft im BrennpunktIm Takt der Atomuhr01.01.2017

NeuzeitIm Takt der Atomuhr

Eine Sekunde in zehn Milliarden Jahren - um diesen kurzen Wimpernschlag nur gehen die besten Atomuhren der Welt falsch. Seit 50 Jahren steuern sie nun die Weltzeit und geben damit unserem Leben einen neuen, ultrapräzisen Takt.

Von Frank Grotelüschen

Eine Atomuhr CS2 steht im Zeitlabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. (picture alliance / dpa / Julian Stratenschulte)
Die Atomuhr CS2 im Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig liefert seit 1991 das Zeitnormal für die Sekunden der gesetzlichen Zeit in Deutschland (picture alliance / dpa / Julian Stratenschulte)
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Ekkehard Peik: "Wir kommen jetzt in einen Raum, in dem man keinen Radio- und keinen Handy-Empfang hat."

Wände, komplett ausgekleidet mit Kupfer.

"Man hat das gemacht, um sicherzustellen, dass es nicht zu Störungen der Uhren von außen kommt."

Ein Raum groß wie eine Turnhalle. Das Inventar: diverse Atomuhren, darunter die besten Prototypen der Welt. Ihre Genauigkeit: enorm. Ihr Fehler: minimal.

Ekkehard Peik: "Weniger als eine Sekunde über das Alter des Universums, das sind etwa 13,8 Milliarden Jahre."

Zeitmesser der nächsten Generation, nahezu perfekt. In den Laboren warten sie bereits auf ihren Einsatz. Wie werden sie unsere Welt verändern, den Alltag durchdringen, das Leben bestimmen?

Günther Oestmann: "Die ersten Uhren waren Elementar-Uhren. In der Regel Wasseruhren, Sonnenuhren. Im orientalischen Bereich durch kontrolliertes Abbrennen von Räucherstäbchen und dergleichen."

Der Mensch misst die Zeit. Seit Urzeiten.

"Man weiß aus der Vielzahl von öffentlichen Zeitmessern, sei es Sonnen- oder Wasseruhren im Römischen Reich, dass die Zeitmessung im öffentlichen Leben durchaus eine Rolle spielte."

Die Zeit prägt den Menschen. Seit Urzeiten.

"Wenn die Sonnenuhr korrekt konstruiert ist, können Sie Zehn-Minuten-Abstände durchaus ablesen."

Immer genauer. Immer präziser. Immer schneller.

Am PTB sitzen die Macher der Zeit

"Wir sind hier in der Atomuhren-Halle der PTB. Es ist glaube ich einmalig, dass wir in einem Labor diese verschiedenen Arten der Atomuhren zusammen haben."

Ekkehard Peik, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig. Hier, an der PTB, sitzen die Macher der Zeit. Der von morgen. Und der von heute: der Casium-Atomzeit.

Die Uhren: Laser, Messanzeigen, Elektronikschränke. Luftleer gepumpte Metalltonnen, darin Wolken aus Atomen - Cäsium, lasergekühlt:

"Man strahlt Mikrowellenstrahlung auf die Cäsiumatome ein, guckt: Wie reagiert das Cäsium darauf? Trifft man dessen Resonanzfrequenz? Sodass die Uhr nachher bei der Frequenz des Cäsiumatoms oszilliert."

Die Sekunde: das 9.192.631.770-fache der Frequenz des Cäsiumatoms.

"Eine Unsicherheit im Bereich von zehn hoch sechzehn."

Der Fehler: Nur eine Sekunde in 100 Millionen Jahren. Das ist die Genauigkeit unserer offiziellen Zeit.

"Diese Uhren laufen kontinuierlich und dienen als Ausgangssignal für die Zeitdienste, die wir verbreiten."

Telefon, Funk, Internet, Satellit: So kommt die Atomzeit nach außen, synchronisiert Verkehr, Werkhallen, Alltag.

"Insgesamt tragen knapp 500 Uhren zur Weltzeit bei."

Das Resultat: die Weltzeit. Seit 1967, seit 50 Jahren, das Taktmaß der Erde.

"UTC, eine englische Abkürzung: Universal Time Coordinated."

Die Zeit läuft unbeirrbar, mit stoischer Präzision. Die Erde aber dreht sich unstet. Mal schneller, dann langsamer.

"Es werden dann, wenn notwendig, Schaltsekunden eingefügt, um UTC mit der Erdposition in Übereinstimmung zu halten. Das ist unregelmäßig, im Schnitt etwa alle anderthalb bis zwei Jahre."

Die letzte Schaltsekunde: Gestern Nacht um 23 Uhr, 59 Minuten, 60 Sekunden.

Rückblick in die Geschichte: das europäische Mittelalter

Der Mechanismus von Antikythera, ein nicht mehr funktionierendes, unvollständig erhaltenes Fundstück mit 82 Fragmenten aus der Antike mit einer Vielzahl von Zahnrädern in ähnlicher Anordnung wie in einer Räderuhr, im Archäologischen Nationalmuseum Athen (imago/ANE Edition)Der Mechanismus von Antikythera, ein nicht mehr funktionierendes, unvollständig erhaltenes Fundstück mit 82 Fragmenten aus der Antike mit einer Vielzahl von Zahnrädern in ähnlicher Anordnung wie in einer Räderuhr, im Archäologischen Nationalmuseum Athen (imago/ANE Edition)

"Der nächste Schritt ist die Entwicklung der Räderuhr im ausgehenden 13. Jahrhundert."

Günther Oestmann, Dozent für Wissenschaftsgeschichte, TU Berlin.

"Ein wichtiges Moment war sicherlich die Zeitmessung im klösterlichen Bereich. Gerade im Benediktinerorden spielten die Gebetszeiten eine dominierende Rolle. Dort sind sicherlich die ersten weckerartigen Mechanismen entstanden."

Der Antrieb: Ein Gewicht, das abwärts sackt. Zahnräder greifen ineinander. Eine Spindel hemmt den Drang, zerteilt den Fluss der Zeit in einen steten Takt.

"Diese Spindelhemmung war ein revolutionärer Schritt. Aber die Uhren waren relativ ungenau. Eine gewicht-betriebene Spindeluhr konnte durchaus bis zu einer Stunde am Tag abweichen.

Das Ziffernblatt spielte zunächst noch gar nicht die dominante Rolle. Wichtig waren die Glockensignale in einer Stadt. Diese Glockensignale koordinierten nicht nur Gottesdienste und Gebetszeiten, sondern auch andere städtische Aktivitäten. Für öffentliche Essensausgaben zum Beispiel gab es eine so genannte Mus-Glocke. Zeit wurde kommuniziert durch solche Signale."

Der Schlag der Uhr organisiert die mittelalterliche Stadt.

"Eine Revolutionierung der Genauigkeit stellte die Einführung der Pendeluhr dar."

Ein Pendel schwingt exakt einmal pro Sekunde - wenn es denn die richtige Länge hat.

"Damit war eine erhebliche Steigerung der Ganggenauigkeit verbunden. Die ersten Pendeluhren konnten bereits Genauigkeiten im Bereich von zehn Sekunden pro Tag erzielen, was ungeheuerlich war für damalige Verhältnisse."

Das Geschäft mit der Atomuhr

Christoph Affolderbach: "Historisch gesehen ist hier der Jurabogen in der Schweiz - eine der Hochburgen der Schweizer Uhrenindustrie."

Neuchâtel in der Schweiz. Eine Stadt, in der Genauigkeit Tradition hat: An der Sternwarte von Neuchâtel ließen einst Generationen von Uhrmachern ihre Chronometer eichen. Diese Tradition hat die Stadt in die Moderne gerettet.

"So haben wir hier in Neuchâtel zwei große europäische Unternehmen, die Atomuhren herstellen. Der weltweite Markt liegt bei einigen Zehntausend pro Jahr."

Atomuhren kann man kaufen. Die Militärs brauchen sie für die Navigation von U-Booten und Drohnen. Erdölkonzerne verwenden sie für die Suche nach neuen Lagerstätten. Und: Atomuhren sind die Basis von GPS. An Bord der Satelliten liefern sie ultragenaue Zeitsignale, die zur Erde gefunkt und dort von Smartphones und GPS-Empfängern zum Navigieren verwenden werden.

Die meisten Atomuhren aber finden sich woanders: kompakte, relativ günstige Modelle. Sie stecken in Glasfaserstrecken und Mobilfunknetzen, den Lebensadern der digitalen Welt, erklärt Christoph Affolderbach:

"Der Trend bei Telekommunikation oder Internet geht dahin, dass immer mehr Daten in höherer Geschwindigkeit und kürzerer Zeit übertragen werden sollen. Hierfür muss man den Takt des Senders mit dem Takt des Empfängers synchronisieren. Für das braucht man Atomuhren, die einen konstanten Takt vorgeben."

Die Atomuhren sind in die Knotenpunkte der Telekommunikationsnetze eingebaut. Nahezu in jedem Stadtviertel findet sich eine. Diese Atomuhren sind kaum größer als eine Zigarettenschachtel und kaum teurer als 1000 Euro. Wären sie noch kleiner, robuster und billiger, könnte man sie in jeden Handymast stecken:

"Das hätte schlicht und einfach den Vorteil, dass Sie eine höhere Datenübertragungsrate erreichen könnten. Bis zum Mast könnten Sie einen höheren Datenverkehr ermöglichen."

An solchen Miniatur-Atomuhren tüftelt Christoph Affolderbach in Neuchâtel:

"Das hier ist unser großes Labor, in dem ich an den hochkompakten Dampfzellen-Atomuhren arbeite."

Laserapparaturen und Teststände, getrennt durch Vorhänge.

"All diese Forschungsprojekte verwenden Laserdioden als Lichtquellen. Um das Licht gegenüber Störlicht von einem anderen Experiment abzuschirmen, verwenden wir diese schwarzen Theatervorhänge - einfach, um die Experimente voreinander zu schützen."

Jetzt nimmt Affolderbach etwas vom Labortisch - einen Zylinder aus Silizium, Deckel und Boden sind aus Glas. Die Ausmaße: ziemlich klein.

"Zwei Reiskörner nebeneinander."

Das Kernstück einer hochkompakten Atomuhr.

"Dort sind Rubidium-Tröpfchen eingeschlossen. Über diesen Tröpfchen, die flüssiges Metall sind, bildet sich ein Dampf aus Rubidium-Atomen, wie sich an einem kalten Wintertag über einem warmen See Nebel bildet. Genau diesen Nebel verwenden wir als Referenz für die Atomuhr."

In diesen Nebel werden zwei Strahlen gelenkt: Laser präparieren die Atome, Mikrowellen lesen ihre Frequenz aus.

"Nicht weit entfernt von der Mikrowellen-Frequenz, die in der Küche in der Mikrowelle verwendet wird."

Atomuhr für alle?

Die reiskorngroße Siliziumkapsel ist das Kernstück, hinzu kommen Laser, Mikrowellengenerator, Elektronik zur Steuerung und Auswertung. Die komplette Atomuhr ist nur wenig größer als eine Streichholzschachtel.

"Hier sehen Sie den Uhren-Prototyp von unserem Projekt Quantime. Vorne drauf sitzt der Diodenlaser", sagt Affolderbach. "Der ist nur ein Zehntelmillimeter groß, den können Sie mit bloßem Auge überhaupt nicht erkennen. Da müssen Sie die Lupe zur Hilfe nehmen."

Vor einiger Zeit hat die US-Firma Microsemi eine ähnlich kompakte Atomuhr auf den Markt gebracht, Gewicht 35 Gramm. Mittlerweile baut sie ein Londoner Uhrmacher namens Richard Hoptroff in eine Armbanduhr ein. Stückpreis ab 12 000 Pfund, ein Statusobjekt. Ein eher klobiges Modell, aber die genaueste Armbanduhr der Welt: In einem Jahrtausend geht sie nur um eine Sekunde falsch - und muss praktisch nie gestellt werden.

Zuverlässigkeit ist die vordergründige Qualität einer Atomuhr. Viel mehr jedoch zählt etwas Anderes: Mit Atomuhren lassen sich winzige Zeitintervalle messen, beherrschen und zähmen: das Hin und Her der Datenpakete im Handynetz. Die Abfolge von Lichtpulsen in Glasfaserleitungen. Und ein winziges Zittern im Stromnetz.

"Das Problem entsteht dadurch, dass mit den erneuerbaren Energiequellen Energie an vielen Stellen des Netzes eingespeist wird. Das führt zu einer erhöhten Instabilität des Verteilungsnetzes. Wenn diese Energienetze außer Phase laufen, bekommt man Probleme mit dem Schalten des Hochspannungsnetzes, was zu kostspieligen Schäden führen kann."

Atomuhren in den Schaltstellen synchronisieren die Energieströme. Ihr Takt hält das Stromnetz auch dann noch stabil, wenn mehr und mehr Windräder und Solarzellen ihre Energie einspeisen. Je kleiner die Taktgeber werden, umso mehr wird man mit ihnen anfangen. Eine Atomuhr groß wie ein Zuckerwürfel ist keine Sciencefiction, meint Christoph Affolderbach:

"Aber es ist harte Arbeit, das auch wirklich zu realisieren. Der Traum wäre natürlich, eine Atomuhr direkt als elektronisches Bauteil realisieren zu können. Das könnte theoretisch möglich sein. Aber der Weg dahin ist noch sehr lang."

Die Atomuhr als Mikrochip, das ist die ferne Vision der Fachwelt. Die Atomuhr für alle.

"Dort kann man träumen, dass wenn die Uhr ausreichend klein und preisgünstig ist, man sie in Laptops, PCs, Handys einbaut oder in GPS-Empfänger. Der Nutzen könnte sein, dass man eine höhere Datenübertragungsrate ermöglichen könnte. Bei Anwendungen im GPS-Empfänger könnte man erreichen, dass die Einschaltdauer, bis das Gerät operationsfähig ist, deutlich reduziert werden könnte."

Atomuhr im Bose-Einstein-Kondensat

Stecknadelkopfgroße Zellen, gefüllt mit einem Dampf aus Atomen. Das ist der Ansatz von Affolderbach und seinen Leuten. Andere tüfteln an einem Alternativkonzept - die Atomuhr auf dem Chip:

"Was in der Vergangenheit nur über große magnetische Spulen möglich war, etwas, das sagen wir mal auf einem Esstisch Platz brauchte, kann jetzt auf einer zwei mal zwei Zentimeter großen Oberfläche durchgeführt werden", erklärt Tommaso Calarco, Physiker an der Universität Ulm.

Seit einiger Zeit gibt es briefmarkengroße Chips, die als Atomfalle agieren: Auf ihrer Oberfläche fließen elektrische Ströme und bauen regelrechte Magnetkäfige auf - Käfige, in denen sich Atomwolken einsperren lassen. Für eine Miniatur-Atomuhr müsste man diese Atomwolken extrem gut kühlen. Nur so nehmen sie einen speziellen Materiezustand ein, Bose-Einstein-Kondensat genannt:

"Da sind Millionen Atome im gleichen Quantenzustand bei Nulltemperatur. Wenn wir solche Zustände haben - die sind noch empfindlicher zum Vergehen der Zeit als die nicht ultrakalten. Wir sind bei ganz präzisen Zuständen, die es uns erlauben, noch genauer unsere Zeit zu messen."

Die Vorarbeiten sind gemacht. Im Labor gelang es bereits mehreren Gruppen, ein Kondensat auf einem Chip zu erzeugen. Nun versuchen sie, daraus eine Uhr zu bauen. Eine der Herausforderungen: Man muss die Laser, die die ultrakalte Wolke kühlen und ansteuern, noch deutlich kleiner bauen:

"Da gibt es einen klaren Weg, wie man das erreichen kann."

Rückblick in die Geschichte: überseeischer Handel und Industrialisierung

John Harrisons Chronometer im Immigration Museum, Ellis Island, New York (imago / Anka Agency International)John Harrisons Chronometer im Immigration Museum, Ellis Island, New York (imago / Anka Agency International)

Günther Oestmann: "Es gab einen Bedarf. Denn mit der Expansion des überseeischen Handels wurde dieses Problem dringlich."

Das 18. Jahrhundert. Schiffe erobern den Globus. Nicht immer finden sie ihren Weg.

"Es wäre sehr praktisch, eine Uhr zu haben, die die Zeit des Ausgangshafens verlässlich anzeigt, um dann aus der Zeitdifferenz auf See die Länge zu bestimmen."

Steht die Sonne am höchsten, weiß die Crew: An Bord ist es 12 Uhr mittags. Dann folgt der Uhrenvergleich: Eine Uhr auf dem Schiff zeigt, wie spät es im Starthafen ist. Die Rechnung ist simpel: Steht sie auf 13 Uhr, ist man 15 Längengrade entfernt. Steht sie auf 15 Uhr, sind es 45 Längengrade, und zwar Richtung Westen.

"Der Durchbruch kam im 18. Jahrhundert mit John Harrison."

Ein genialer Konstrukteur. Die Bedingungen auf hoher See sind harsch - Harrisons Chronometer kann ihnen trotzen. 1762 folgt die Nagelprobe: eine Fahrt nach Jamaika, elfeinhalb Wochen lang. Die Gangabweichung: minimal.

"Es waren nur wenige Sekunden. Die war so ungeheuerlich genau, dass die Kommission, die das zu begutachten hatte, erstmal misstrauisch wurde und weitere Nachprüfungen verlangte."

James Cook bereist die Südsee - und preist die Uhr als nie versagenden Führer. Das Längengrad-Problem ist gelöst. Was folgt, ist die Vermessung der Welt.

"In der Schweiz hat man die ersten Versuche unternommen, Zeitmesser günstig in Massenherstellung auf den Markt zu bringen."

Die Zeit wird industrialisiert.

"Man kann sagen, dass im ausgehenden 19. Jahrhundert viele Menschen eine Uhr besaßen - sei es einen einfachen Wecker, sei es einfache Taschenuhren."

Zeit für jeden, Zeit für alle. Die Grundlage für Struktur, Pünktlichkeit, Stress.

"Das ist dann wirklich eine allgemeine zeitliche Durchtaktung des Lebens, die man im 19. Jahrhundert wahrnehmen kann. Die Synchronisierung von Tätigkeiten und die terminlichen Absprachen werden dadurch erst möglich."

Atomuhren für Finanzjongleure

Leon Lobo vom National Physical Laboratory (NPL) in London vor einer Atomuhr (Frank Grotelüschen)Leon Lobo vom National Physical Laboratory (NPL) in London vor einer Atomuhr (Frank Grotelüschen)

"In den Räumen, wo unsere besten Atomuhren stehen, wird die Temperatur bis auf ein Zehntel Grad konstant gehalten", sagt Leon Lobo. "Kommt jemand in so einen Raum, beeinflusst er dessen Temperatur durch seine Körperwärme - und damit den Gang der Uhren. Deswegen vermeiden wir, diese Räume zu betreten. In manche Räume gehen wir praktisch nie."

Teddington im Südwesten von London. Hier findet sich die britische Variante der PTB - das NPL, das National Physical Laboratory. Ein Ort mit Tradition: 1955 wurde hier die erste Cäsiumuhr der Welt gebaut.

Physiker Leon Lobo öffnet die Tür zu einem kleinen, fensterlosen Raum, vollgestellt mit technischem Gerät:

"Schränke mit jeder Menge Elektronik: Cäsiumuhren, Verteilsysteme, Messgeräte und Apparate, die unsere hochpräzisen Zeitsignale in Glasfasern einspeisen."

Jetzt zeigt Lobo auf einen der Elektronikschränke. Vorne blinkende LEDs, hinten zweigen Glasfasern ab.

"Hier wird das Signal erzeugt. Am anderen Ende der Glasfaser stehen ähnliche Geräte. Sie empfangen das Zeitsignal und geben es an die Kunden weiter."

Die Kunden sitzen 25 Kilometer entfernt - die Banken in der City, dem Finanzdistrikt von London. Eine Drehscheibe des internationalen Hochfrequenzhandels.

"Es war immer schon ein Rennen, bei dem es darum ging, in immer kürzeren Zeiten immer mehr Daten zu verarbeiten. Und dieses Rennen wird weitergehen, es wird nicht aufhören."

Nicht Broker aus Fleisch und Blut entscheiden, sondern Computer. Sie kaufen und verkaufen innerhalb von Sekundenbruchteilen.

"Der Hochfrequenzhandel ist ein Teil des Finanzmarkts, bei dem Computeralgorithmen große Mengen an Wertpapieren mit extremer Geschwindigkeit handeln."

Die Befürworter sagen: Der Hochfrequenzhandel sorgt für mehr Liquidität im Markt und damit für bessere Preise. Die Kritiker meinen: Der Hochfrequenzhandel hat keinerlei Nutzen für die Gesellschaft und gefährdet die Stabilität unserer Wirtschaft. Klar ist: Es gibt Schwierigkeiten, und sie sind technischer Natur.

"Diese Art des Handels ist immer schneller geworden - so schnell, dass die Regulierungsbehörden nur noch schwer nachvollziehen können, wann wer was gemacht hat."

Jede automatische Transaktion trägt einen Zeitstempel. Der Rechner, der eine Transaktion verschickt, versieht sie mit einem Ausgangsstempel. Der Computer, der diese Transaktion empfängt, drückt ihr einen Eingangsstempel auf. Das Problem:

"Jede Bank bezieht ihre Zeit von einer anderen Quelle, einer anderen Uhr - manche über GPS, andere übers Internet. Das hat zur Folge, dass die Transaktionen unterschiedlich genaue Zeitstempel tragen. Und da kann es passieren, dass der zweite Stempel eine frühere Zeit anzeigt als der erste. Dann sieht es so aus, als wäre die Information bereits angekommen, bevor sie überhaupt abgeschickt wurde."

Eine solche Panne unterlief 2013 dem Medienkonzern Thomson Reuters.

"Er gab bestimmte Marktdaten 15 Millisekunden zu früh heraus. Diese Zeit reichte einigen der Algorithmen, um mit Aktien für 28 Millionen Dollar zu handeln."

Eine Wettbewerbsverzerrung, die Regulierungsbehörden sehen Handlungsbedarf. Zum Januar 2018 verschärfen sie die Vorschriften.

"Die Mitspieler beim Hochfrequenzhandel müssen ab 2018 ihre Transaktionen mit Zeitstempeln versehen, die nicht mehr als 100 Mikrosekunden von der Weltzeit abweichen."

Ein Problem, entstanden durch das Jonglieren mit kleinsten Zeiteinheiten, mit Milli- und Mikrosekunden. Gelöst werden soll es durch ein noch feineres Zeitraster, durch noch mehr Präzision - durch die besten Atomuhren Englands.

"Wir nutzen eine Glasfaserleitung zum Londoner Finanzdistrikt. Durch die schicken wir die hochpräzisen Signale unserer Atomuhren. Die Banken arbeiten also nicht mehr mit irgendeiner Zeit. Sie arbeiten mit der Zeit."

Raffinierte Kontrollsysteme sorgen dafür, dass die gesamte Signalkette in der Bank genau genug funktioniert - bis hin zum Zeitstempel, der die Transaktionen markiert. 2015 starteten Lobo und seine Kollegen einen Langzeitversuch mit der Londoner UBS-Filiale. Mittlerweile sei das System einsatzbereit, meint der Physiker. Doch trägt seine Arbeit letztlich nicht doch dazu bei, den Hochfrequenzhandel noch schneller zu machen - und damit noch riskanter?

"Nein, keineswegs. Es geht nicht darum, den Hochfrequenzhandel weiter zu beschleunigen. Nein - unsere Methode, unsere präzisere Zeitmessung hilft besser zu verstehen, was bei den automatischen Transaktionen im Detail passiert und schafft dadurch mehr Pannensicherheit und Transparenz."

Rückblick in die Geschichte: von Greenwich zum modernen PC

Günther Oestmann: "Man hatte in England konkurrierende Bahngesellschaften, die verschiedene Zeiten hatten. Es ist dann sehr schnell zu Unfällen gekommen aufgrund eben verschiedener Zeitsysteme."

Die Zeit wird normiert. Ab 1884 gilt die Greenwich Mean Time - die Stunde Null der Weltzeit.

 "Bis dahin hatte man verschiedene Lokalzeiten, örtliche Zeiten. Die haben markante Zeitdifferenzen. Mit der Eisenbahn wurde das spürbar, und es erwies sich als notwendig, Zeiten zu koordinieren zwischen den Orten."

Fachleute teilen die Welt in Zeitzonen auf. Die Zeit wird international.

"Der nächste Sprung war die Entwicklung der Quarzuhr Anfang der Dreißigerjahre."

Ein Quarzkristall unter Spannung, das Kristallgitter schwingt. Ein mikroskopisches Pendel, konstant und hochgenau.

"Die Quarzuhr war noch sehr teuer. Erst in den sechziger Jahren ist die Quarzuhr zur industriellen Serienreife weiterentwickelt worden."

Die Quarzuhr am Handgelenk. Und: Der Quarz im Prozessor, der Taktgeber des PC. Ohne ihn wären schnelle Rechner undenkbar.

"In Computern sind kleine Quarzuhren eingebaut. Die sind natürlich auch miniaturisiert worden."

Megahertz, Gigahertz. Der Rhythmus der digitalen Revolution.

Optische Atomuhr soll hundertmal genauer als Cäsiumuhren sein

"Alle ein- bis anderthalb Sekunden laden wir eine neue Wolke von Strontium-Atomen, vergleichen die Frequenz des Lasers mit der atomaren Frequenz und laden eine neue Wolke Atome."

Die PTB in Braunschweig. Der Physiker Christian Lisdat steht in einem abgedunkelten Laborraum vor einer massiven Tischplatte, darauf ein Labyrinth aus Spiegeln, Blenden und funkelnden Laserstrahlen.

"Hier werden gerade kalte Atome erzeugt und gefangen. Das sieht man daran, dass das blaue Licht eine Zeit lang an ist und ausgeschaltet wird. Dabei klackt es hier, weil ein mechanischer Shutter bedient wird."

Lisdat und seine Leute arbeiten an der Zeitmessung der Zukunft - der optischen Atomuhr. Eine Uhr, hundertmal genauer als die besten Cäsiumuhren.

"Der entscheidende Unterschied ist, dass wir die Frequenz der Pendelschwingung deutlich erhöhen, um einen Faktor von mehr als 10 000. Wenn man ein Pendel hat, das schneller schwingt, erlaubt das einem, genauere Zeitabstände zu messen."

Optische Uhren basieren zum Beispiel auf Strontium-Atomen. Sie schwingen im optischen Frequenzbereich, also viel schneller als die heutigen Cäsiumuhren mit ihren Mikrowellen-Frequenzen. Es gibt bereits Prototypen - allerdings laufen sie noch nicht stabil genug. Christian Lisdat will die neuen Superuhren transportabel machen - und damit tauglich für die Technik.

"Jetzt sind wir hier draußen auf dem Parkplatz vor unserem Laborgebäude. Und auf dem Parkplatz steht unser Autoanhänger mit unserer transportablen Uhr."

Christian Lisdat im Labor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt hinter einer optischen Uhr. Eines Tages könnten optische Uhren die Cäsium-Atomuhren ablösen. (Julian Stratenschulte/dpa picture alliance)Christian Lisdat im Labor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt hinter einer optischen Uhr. Eines Tages könnten optische Uhren die Cäsium-Atomuhren ablösen. (Julian Stratenschulte/dpa picture alliance)

Laser, Glasfaseroptik, Vakuumsystem, Steuerelektronik, Messcomputer - alles dichtdrängt auf fünf Quadratmetern Ladefläche. Und es ginge durchaus noch kleiner.

"Der erste Schritt wäre, die Experimentatoren zuhause zu lassen und den ganzen Platz für sie wegzulassen. Dann wären wir schon bei einem Aufbau, der irgendwo bei einem Kubikmeter liegt."

Christian Lisdats Vision:

"Optische Uhren auf Satelliten zu schicken, ist unser Plan. Wir sind dabei, Prototypen zu bauen und zu ergründen, wie groß so ein System sein kann, wie viel Energieverbrauch es hätte."

Ausblick in die Zukunft: von Paketboten und Killerrobotern

2015 haben Forscher Komponenten einer optischen Uhr erstmals unter Schwerelosigkeit getestet, für einige Minuten auf einem Parabelflug. In ein paar Jahren soll ein Prototyp auf der Internationalen Weltraumraumstation erprobt werden - dann für längere Zeit.

"Wenn die Technologie da ist, wird das wahrscheinlich auch den Weg in Richtung Satelliten-Navigationssysteme finden", sagt Christian Lisdat.

Heute haben die GPS-Satelliten Cäsiumuhren an Bord. Eine optische Uhr ist hundertmal präziser. Mit ihnen können GPS-Empfänger ihre Position bis auf Zentimeter genau bestimmen statt wie bisher auf Meter. Ein Technologiesprung für die Maschinennavigation kündigt sich an: Drohnen, die gezielt Pakete ausliefern - oder punktgenau spionieren. Roboter, die am richtigen Ort erste Hilfe leisten - oder im Häuserkampf töten. Auch Geoforscher werden optische Uhren nutzen: um Höhendifferenzen präzise zu erfassen.

"Das ist erstmal ein überraschender Effekt, der aus der Allgemeinen Relativitätstheorie kommt - nämlich, dass die Geschwindigkeit, mit der die Zeit vergeht, abhängig davon ist, wo ich mich im Schwerefeld der Erde befinde. Diesen Effekt kann man ausnutzen, um Höhendifferenzen im Prinzip sehr genau zu bestimmen."

Eine Uhr auf einem Berg tickt schneller als eine im Tal. Ein Phänomen, das die Braunschweiger bereits beobachten konnten: Sie parkten ihren Autoanhänger mitsamt optischer Uhr in einem Tunnel in den italienischen Alpen. Dann verglichen sie per Glasfaserkabel das Signal mit einer Uhr im Tal - und konnten tatsächlich die Höhe bestimmen.

"Einige Meter genau sind wir geworden."

Noch zu ungenau für technische Revolutionen. Aber:

"Für den ersten Anlauf waren wir ganz zufrieden, dass die Uhr überhaupt funktioniert hat. Es war ein Demonstrationsexperiment."

Jetzt steuert Lisdat eine Präzision von Zentimetern an - und die exakte Vermessung des Globus in der Vertikalen: Wie schnell steigt der Meeresspiegel? Wie hebt und senkt sich die Erde in bebengefährdeten Regionen?

Tage der Cäsiumuhr scheinen gezählt

Das Innenleben einer Cäsiumuhr (Frank Grotelüschen)Bald nur noch im Museum zu finden? Das Innenleben einer Cäsiumuhr (Frank Grotelüschen)

Unsere Prozesse laufen schneller und schneller, wir brauchen einen neuen Takt. 50 Jahre hat das Zeitalter der Cäsiumuhr gedauert, jetzt scheinen ihre Tage gezählt. Das Maß aller Dinge wird wohl bald die optische Atomuhr. Sie verspricht uns eine neue Sekunde, präzise definiert wie nie zuvor.

"Das wird man bestimmt machen", sagt Ekkehard Peik von der PTB. "Ich denke allerdings, man wird sich damit noch Zeit lassen, weil heute die Forschung in dem Gebiet noch so schnell läuft, dass noch überhaupt nicht klar ist, welches Atom am besten geeignet wäre."

Manche setzen auf Strontium. Andere auf Ytterbium oder Aluminium. Wieder andere auf Calcium. Noch sind all die Prototypen nicht zuverlässig genug. Doch das werden die Forscher in den Griff bekommen, da sind sie sich sicher. Ekkehard Peik:

"Diese Entwicklung sollte man abwarten, um eine wirklich gute Entscheidung treffen zu können, die für eine lange Zeit gültig bleibt."

Es sprachen: Jennifer Güzel, Andreas Neumann und Clemens Nicol
Technik: Birgit Vetter
Regie: Frank Halbach
Redaktion: Christiane Knoll
Online: Felix von Massenbach

Eine Produktion des Deutschlandfunks 2017

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