Mobile Strontium-Atomuhr ebnet neue Wege zur Welt-Vermessung

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Atomuhren kennt man hauptsächlich als Grundlage für die allgemein gültige Uhrzeit. Doch sie können mehr. Forscher haben eine mobile Variante nun zur Höhenmessung in den Alpen eingesetzt. Die transportable optische Uhr könnte die Herangehensweise an Höhenvermessungen oder Klimaforschung revolutionieren.

Mit einem Pionierexperiment haben Physiker neue Wege zur Vermessung der Welt geebnet. Mit Hilfe einer mobilen optischen Atomuhr der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig bestimmten sie die exakte Höhe einer bestimmten Stelle in den Alpen. Grundlage dafür war, dass das internationale Team um PTB-Forscher Christian Lisdat zum ersten Mal überhaupt mit einer transportablen Strontium-Uhr die Erdanziehungskraft vermessen konnte.

Das Ergebnis kann in seiner Genauigkeit zwar noch nicht ganz mit konventionellen Methoden mithalten, die Methode eröffne jedoch den Weg zu einer "relativistischen Geodäsie", erläutern die Forscher im Fachblatt Nature Physics. Geodäsie beschäftigt sich mit der Vermessung der Erdoberfläche.

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Atomuhren gehören zu den genauesten Messinstrumenten in der Physik. Sie bestimmen die Zeit, indem sie bestimmte Schwingungen von Elektronen in Atomen zählen. Je schneller die Schwingungen sind, desto genauer lässt sich die Zeit darüber messen. Währen bei den zurzeit als Zeitstandard verwendeten Cäsium-Atomuhren die Schwingungen im Bereich der Mikrowellen liegen, sind die Schwingungen in optischen Atomuhren so schnell, dass sie sich im optischen Spektralbereich befinden. Optische Atomuhren sind so exakt, dass sie im gesamten bisherigen Alter des Universums, 13,7 Milliarden Jahre, nicht eine Sekunde falsch gehen würden.

Nach Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie vergeht die Zeit mit zunehmender Schwerkraft langsamer. Dieser relativistische Effekt muss beispielsweise bei der Satellitennavigation korrigiert werden: In der Umlaufbahn der Satelliten läuft die Zeit etwas schneller als am Erdboden, was ohne Korrektur zu Fehlern in der Positionsbestimmung führen würde. Moderne, optische Atomuhren sind so gut, dass sie über die veränderte Zeit im Labor bereits einen Höhenunterschied von nur zwei Zentimetern messen können.

Für derartige Messungen werden zwei in verschiedener Höhe aufgestellte Atomuhren miteinander verglichen. Über den sogenannten Gangunterschied lässt sich die Differenz in der Schwerkraft und daraus der Höhenunterschied zwischen beiden Uhren bestimmen. Im Prinzip lässt sich so die Schwerkraft an jedem beliebigen Punkt der Erde messen. Was unter Laborbedingungen mit beeindruckender Genauigkeit klappt, ist mobil jedoch nicht so einfach: Die Präzisionsinstrumente benötigen genau kontrollierte Umgebungsbedingungen.

Seit etwa einem Jahr besitzt die PTB eine transportable Strontium-Gitter-Uhr. Diese fuhren die Forscher nun auf einem schwingungsgedämpften und temperaturstabilisierten, 2,2 mal 3 mal 2,2 Meter großen Autoanhänger in die französischen Alpen. Im Frejús-Tunnel zwischen Frankreich und Italien betreibt die französische Forschungsorganisation CNRS das unterirdische Labor von Modane. Dort maßen die Forscher mit ihrer mobilen Atomuhr die Zeit und verglichen sie per Glasfaser mit einer Atomuhr im rund 100 Kilometer entfernten und etwa 1000 Meter tiefer gelegenen Turin in Italien.

Die aus dem Gangunterschied der beiden Atomuhren ermittelte Höhendifferenz verglichen sie mit einer konventionellen Messung der Universität Hannover. Beide Werte stimmten überein, wobei die konventionelle Messung noch rund hundertmal genauer war als die Atomuhr-Messung. Die Premiere zeigt jedoch, dass derartige mobile Messungen möglich sind, und mit dem bestehenden Optimierungspotenzial kann die Methode noch erheblich genauer werden. "Optische Atomuhren gelten als die Uhren der Zukunft - und dies nicht nur im Labor, sondern auch als mobile Hochpräzisionsinstrumente", betont Lisdat in einer Mitteilung der PTB.

Andrew Ludlow vom US-Nationalen Institut für Standards und Technologie, der nicht an der Untersuchung beteiligt war, zeigt sich in einem begleitenden Kommentar von dem Ansatz begeistert. "Indem sie die ersten erfolgreichen Messungen mit einer transportierbaren, optischen Atomuhr außerhalb des Labors durchgeführt haben, haben die Studienautoren gezeigt, wie gewaltig das Potenzial dieser Systeme ist und dass sie eine vielversprechende Zukunft haben."

Die Forscher um Lisdat erwarten, dass sich mit der relativistischen Geodäsie künftig Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern auch mobil messen lassen. Zudem sei die Messunsicherheit nahezu unabhängig vom Abstand der Uhren, während sich bei der konventionellen Geodäsie Messfehler mit zunehmender Entfernung addierten, erläuterte die PTB. "Die neuen optischen Uhren haben das Potenzial, geodätische Höhenmessungen zu revolutionieren und einige Beschränkungen der traditionellen geodätischen Techniken zu überwinden", ist Heiner Denker von der Universität Hannover, einer der beteiligten Wissenschaftler, überzeugt. "Optische Uhren können uns helfen, ein weltweit einheitliches Höhenreferenzsystem zu etablieren – mit deutlichen Auswirkungen auf die Erforschung von Geodynamik und Klima."

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