Atomuhr

Was ist eine Atomuhr?

Unter einer Atomuhr versteht man eine Uhr, die den Zeittakt aus der Frequenz von Strahlungsübergängen der Elektroden freier Atome bekommt. Auch primäre Uhren genannt, sind Atomuhren derzeit die genauesten Uhren überhaupt. 60 Institute mit mehr als 260 Atomuhren ergeben Messwerte, wodurch vom Bureau International des Poids et Mesures in Paris die internationale Atomzeit festgelegt wird. Bereits 1944 erhielt ein US-amerikanischer Physiker den Nobelpreis für die Entwicklung der Grundlagen der Atomuhr.

Zeitverbreitung der Atomuhr

Bei mechanischen Uhren ist der Taktgeber das Pendel oder die Unruh, bei einer Quarzuhr wird der Takt mit Hilfe der Frequenz des Schwingquarzes angegeben, damit es konstant bleibt. Wir brauchen also eine konstante Schwingung, damit die Uhr so genau wie möglich geht, das bedeutet, die Uhr ist nur so genau, wie ihr Taktgeber.

Elektromagnetische Wellen einer bestimmten Frequenz werden abgegeben bei dem Übergang zweier Energiezustände von Atomen. Diese Eigenschaft kommt in Atomuhren zum Einsatz. Die Atome werden einem elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt, dass der Quarzoszillator erzeugt. Ein Quarziszillator bedient sich eines Schwingquarzes für die Erzeugung von Schwingungen. Die Atome strahlen in einer bestimmten Frequenz sehr viel Energie in andere Richtungen ab, was man Resonanz nennt. Unter Verwendung dieser Resonanz und einer Regelschleife wird die Frequenz des Quarzoszillators extrem stabil gehalten. Daraus ergibt sich die genauste Uhr der Welt.

moderne Zeitverbreitung der Atomuhr

Die Caesium Fontäne

Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, arbeitet man heute mit sogenannten thermisch abgebremsten Atomen in Atomuhren. Caesium Atome werden stark abgeküht so, dass die Schnelligkeit der Atome etwa einen Zentimeter pro Sekunde ist. Man schickt die etwas langsameren Atome dann mittels Laser nach oben durch eine ballistische Flugbahn und beschleunigt diese dadurch. Dadurch wird eine überaus effektive Wechselwirkungsdauer erreicht, mit der die Mirkrowellen verlängert werden und so erhält man eine exakte Frequenzbestimmung. Die Caesium Fontäne bekommt dadurch eine relative Standardabweichung, die im Jahr 1999 bei nur etwa 10^-15 liegt, das bedeutet, dass es einer Abweichung von nur einer Sekunde in 20 Millionen Jahren gleich kommt. Genauer geht es wohl kaum, sollte man glauben.

Die optische Atomuhr

Aber es geht doch noch genauer, denn die Genauigkeit wird noch erhöht, je höher die Frequenz der Resonanz einer Atomuhr ist. Die Frequenz von der beim Caesium genutzten Mikrowellenstrahlung ist niedriger, als die Frequenz von sichtbarem Licht. Diese ist 50 tausend fach höher. Deshalb arbeitet man seit einigen Jahren an der Entwicklung bzw. an der Realisierung einer sogenannten optischen Atomuhr.

Unsere Atomuhr

Die oben angezeigte Uhr wird mit Hilfe von Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig auf die Koordinierte Weltzeit - Coordinated Universal Time (UTC) synchronisiert. Zur Weitgabe der Zeitinformation wird das Network Time Protocol (NTP) verwendet. Die Zeitinformationen der PTB Braunschweig sind GPS unabhängig und werden von zwei separierten Lichwellenleitern möglichst zuverlässig direkt mit den Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt synchronisiert. Zur zusätzlichen Kontrolle, der auf zwei Wegen übertragenen Zeit, kommt zudem noch je eine DCF77-Funkuhr zum Einsatz.
Weiter Informationen der PTB zur Zeitverbreitung über das Internet finden Sie hier.