Forscher messen die exakte Höhe von Orten mit zwei Uhren im Abstand von 2000 km

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Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Höhendifferenz verursacht Frequenzverschiebung

Einiges ist auf diesem Gebiet schon geforscht worden: Da hat man beispielsweise Atomuhren im Flugzeug über die halbe Erde geflogen – und hinterher tatsächlich festgestellt, dass ihre Zeit geringfügig anders abgelaufen war als die einer Atomuhr auf der Erde. Und vor drei Jahren stellten Chou et al. (Science 2010) zwei optische Aluminium-Uhren in benachbarten Laboren mit 33 cm Höhenunterschied auf – und konnten tatsächlich den Einfluss dieser kleinen Höhendifferenz auf die Frequenzen der beiden Uhren messen.

„Aber wie messe ich die Höhendifferenz, also diesen Frequenzunterschied, wenn die beiden Uhren nicht nebeneinander stehen? Sprich: Wie stelle ich die Verbindung her zu einer zweiten Uhr, die dort steht, wo eine Höhe so genau gemessen werden muss?“ fragt Gesine Grosche, Physikerin bei der PTB. Um eine Antwort auf diese Frage zu finden, haben sie und ihre Kollegen vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching in den letzten Jahren erforscht, wie man derartige „Präzisionsfrequenzen“, wie sie von einer optischen Atomuhr erzeugt werden können, auf die Reise schicken kann. Nachdem sie im letzten Jahr im Science-Magazin berichten konnten, dass ihnen ein Frequenzvergleich über die 920 km lange Strecke zwischen dem MPQ und der PTB gelungen war, haben sie jetzt diese Strecke verdoppelt – und sogar noch bessere Stabilitäten erzeugt.

„Wir können also sehr schnell auf die benötigten genauen Werte kommen, ohne lange messen zu müssen“, erläutert Stefan Droste vom MPQ. „Die Gesamtmessunsicherheit liegt bei nur 4 ^. 10^–19, das entspräche einem Höhenunterschied von vier Millimetern, und wir erreichen diese Auflösung breits nach 100 Sekunden.“ Solche Werte machen die neue Technik für die praktische Anwendung höchst interessant. „Prinzipiell können jetzt optische Uhren in weit entfernten Forschungsinstituten quasi ‘zusammengeschaltet‘ und für alle Zwecke genutzt werden, für die man so ‚gute‘ Frequenzen braucht“, erläutert Ronald Holzwarth vom MPQ.

Untersuchungen an Wasserstoff

Eine erste Anwendung für die Grundlagenforschung ist auch gerade dokumentiert worden, nämlich im Juni in Physical Review Letters: MPQ-, PTB- und französische Forscher haben diesen Weg genutzt, um spektroskopische Untersuchungen an Wasserstoff durchzuführen, die für die grundlegende Frage wichtig sind, ob die Quantenmechanik die Welt tatsächlich gut beschreibt.

Geodäten vor der Tür

Und jetzt stehen also die Geodäten quasi vor der Tür. „Wir arbeiten gemeinsam an dem Antrag für einen Sonderforschungsbereich zusammen mit den Universitäten Hannover und Bremen“, sagt Gesine Grosche. Außerdem könnte diese Forschung auch für radioastronomische Untersuchungen eingesetzt werden. Die Kollegen in Australien wollen dafür Frequenzen nicht über 2000 km, sondern etwa 4000 km vergleichen, was die Sache natürlich noch komplizierter macht. Aber Gesine Grosche ist optimistisch: „Nachdem wir jetzt die Grundlagen dafür gelegt haben, wird das wohl auch zu schaffen sein!“

Langjährige gute Zusammenarbeit zwischen PTB und MPQ

Und auch die langjährige gute Zusammenarbeit zwischen PTB und MPQ auf diesem Gebiet wird natürlich weitergehen. Vielleicht wird einmal der Höhenunterschied zwischen Braunschweig und Garching auf die große Entfernung hinweg gemessen werden – natürlich ebenfalls über die Glasfaserstrecke und mithilfe eines Uhrenvergleichs.

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