Was zum Teufel ist eine Atomkernuhr?
Wie entlockt man einem Atomkern die Zeit? Viele Jahre lang wurde weltweit daran geforscht – nun tickt die erste echte stabilisierte Atomkernuhr in Wien. Aber was steckt physikalisch dahinter?
Manche Dinge erscheinen fast magisch, bis man die Physik dahinter verstanden hat – dann sind sie ganz einfach. Eine Wasserflasche zum Beispiel, die zerspringt, wenn man sie einfriert. Oder eine Fata Morgana über der heißen Asphaltstraße.
Aber es gibt auch den umgekehrten Fall: Dinge, die umso merkwürdiger, verrückter und unglaublicher werden, je näher man sich damit beschäftigt. Und dazu gehört das wundersame Gerät, das jetzt im Wiener Prater, am Atominstitut der TU Wien steht: Die weltweit erste Stand-Alone-Atomkernuhr tickt dort vor sich hin. Es ist eine völlig neue Art der Zeitmessung – eine Technologie, die herkömmliche Atomuhren bald an Genauigkeit weit übertreffen soll.
Der Vater dieser technischen Meisterleistung ist Thorsten Schumm, ein Physiker mit internationaler Karriere. Studiert hat er in Berlin, Innsbruck und Heidelberg, seine Doktorarbeit führte ihn unter anderem nach Paris, zum Nobelpreisträger Alain Aspect, nach einer Zwischenstation in Kanada ging er an die TU Wien, wo er seit 2011 Professor ist.
Thorsten Schumm ist keiner, der sich in den Vordergrund drängt. Das muss er auch nicht – die meisten Leute überragt er ohnehin deutlich. Aber er weiß, was seine Arbeit wert ist. Und er erzählt gerne über große Visionen.
Als ich Thorsten Schumm zum ersten Mal traf – es muss so Anfang der 2010er-Jahre gewesen sein – war die Atomkernuhr noch eine ferne Zukunftshoffnung. Eine potenzielle technische Anwendung, die möglicherweise eines Tages aus einer Technologie folgen könnte, die man noch gar nicht gefunden hatte.
Wenn man, wie ich, in der Wissenschaftskommunikation arbeitet, stößt man immer wieder auf solche Zukunftshoffnungen. Egal, woran man forscht: Man schreibt in seine Forschungsanträge immer irgendwelche gewagten Traumziele hinein, um das eigene Forschungsgebiet besser dastehen zu lassen. Man forscht an exotischen Materialeffekten in Halbleitern? Dann behauptet man, damit eines Tages vielleicht bessere Computerchips herstellen zu können, auch wenn das überhaupt nicht der Zweck ist. Man synthetisiert eine neue Klasse von Molekülen? Dann behauptet man, damit eines Tages vielleicht Krebsmedikamente herstellen zu können, auch wenn es darum gar nicht geht.
Auch Thorsten Schumm sprach damals bereits von seiner Atomkernuhr. Aber er klang dabei anders als andere. Die Atomkernuhr war kein glitzerndes Luftschloss, sondern ein gut durchdachtes Ziel. Mit klar anvisierten Meilensteinen. Man merkte schon damals: Der meint es ernst.
Doch das heißt noch nicht viel. Wissenschaft ist ein hartes Geschäft. Selbst wenn man verdammt gut ist, einen erfolgversprechenden Plan hat, und die nötigen finanziellen Mittel, ihn auch umzusetzen, ist das noch immer lange keine Garantie für Erfolg. Vielleicht stößt man auf Schwierigkeiten, mit denen einfach nicht zu rechnen war? Vielleicht müht man sich jahrelang ab, und dann, kurz vor dem Durchbruch, schnappt einem eine andere Arbeitsgruppe den Erfolg vor der Nase weg? All das kommt vor. All das hätte Thorsten Schumm und seinem Forschungsteam auch passieren können. Doch dann würde ich heute nicht darüber schreiben. Man braucht in der Wissenschaft immer auch zwei Dinge: Ein tolles Team und ganz viel Glück. Thorsten Schumm hatte beides.
Was ist hier also tatsächlich geschehen? Um das zu verstehen, müssen wir zunächst einen kleinen Ausflug in die Atomphysik machen.
Quantensprünge
Die Quantenphysik sagt: Manche physikalischen Größen kommen in der Natur nur in ganz bestimmten Stufen vor. Das ist ein bisschen seltsam, aus dem Alltag kennen wir das nämlich anders. Ich kann einen Fußball treten und ihm eine Geschwindigkeit von zehn Metern pro Sekunde geben. Ich kann ihn auch ein bisschen fester treten, dann sind es vielleicht elf Meter pro Sekunde. Oder zehn komma sieben. Auch jede andere Zahl ist prinzipiell erlaubt.
Aber Quantenteilchen sind anders: Das Elektron eines Wasserstoffatoms zum Beispiel kann unterschiedliche Energiewerte annehmen. Zum Beispiel 10.2 Elektronenvolt über dem tiefstmöglichen Zustand. Oder 12.09 Elektronenvolt. Aber keinen Wert dazwischen. Erlaubt sind nur ganz bestimmte Werte, alle anderen sind physikalisch unmöglich.
Man kann den Zustand des Elektrons ändern. Zum Beispiel, indem man es mit Licht bestrahlt, das genau die richtige Energie hat, um das Elektron vom ersten Zustand in den zweiten Zustand zu heben. Das Elektron absorbiert ein einzelnes Photon aus dem Lichtstrahl und springt abrupt und ohne Zwischenstufen auf den anderen Zustand mit höherer Energie. Das bezeichnet man als „Quantensprung“: Zuerst hatte das Elektron 10.2 Elektronenvolt, jetzt hat es 12.09, aber Werte dazwischen hatte es nie.
Dieses Zustandswechseln funktioniert aber nur, wenn man das Elektron genau mit der richtigen Energie versorgt. Wenn man es mit einem Photon beschießt, das exakt die Energie liefert, die das Elektron braucht, um von der einen Energie zur anderen Energie zu wechseln. Insgesamt muss schließlich das Gesetz der Energieerhaltung gelten. Quanten-Zustandsänderungen durch Photonen gibt es somit nur, wenn die Photonen die richtige Energie haben. Oder anders gesagt: die richtige Frequenz. Je höher die Frequenz der Lichtwelle, umso höher ist die Energie.
Das ist die Grundlage vieler wichtiger Technologien: Man kann zum Beispiel Chemikalien aufspüren, indem man eine Probe mit vielen verschiedenen Lichtfrequenzen gleichzeitig bestrahlt. Dann misst man, welche Frequenzen von der Probe absorbiert werden. Unterschiedliche Moleküle lassen sich durch unterschiedliche Frequenzen anregen – sie haben alle ihren eigenen „Energie-Fingerabdruck“. Dadurch kann man sehr genau messen, ob ein bestimmtes Molekül in der Probe vorkommt.
Laserstrahlen sind ein fantastisches Werkzeug, um solche Effekte zu nutzen. Sie sind leicht zu handhaben und sie produzieren eine ganz bestimmte, genau bekannte Frequenz, die sich im Lauf der Zeit nur minimal ändert. Deswegen spielen Laser in vielen Versuchslabors auf der ganzen Welt eine so große Rolle: Mit Spiegeln, Linsen und anderen optischen Tricks lenkt man sie auf Atome und Moleküle, um dort ganz bestimmte Quanteneffekte auszulösen.
Selbst ausprobieren: Welche Energie passt?
Wähle eine Photonenenergie und aktiviere den Laser mit dem roten Knopf. Welche Atome werden angeregt – und welche Photonen erreichen den Detektor?
Wie funktionieren Atomuhren?
Nun wollen wir aber eine Uhr haben. Was ist eine Uhr eigentlich? Das ist nicht besonders kompliziert: Man braucht einen Taktgeber, der einen möglichst konstanten Rhythmus vorgibt, und einen Zähler, der registriert, wie oft der Taktgeber geschlagen hat. In einer Pendeluhr wird der Takt von der Schwingung des Pendels vorgegeben, in einer Quarzuhr von der Schwingung eines Quarzkristalls.
Bei der Atomuhr hingegen wird ein elektromagnetisches Feld als Taktgeber verwendet. Bei alten Cäsiumuhren ist das ein Mikrowellenfeld, bei modernen optischen Atomuhren ist es ein Laserstrahl. Die Lichtwelle dieses Laserstrahls schwingt pro Sekunde mehrere hundert Billionenmal. Wenn man diese Schwingungen mit speziellen optischen und elektronischen Vorrichtungen zählt, hat man eine Uhr.
Allerdings sind auch Laser nicht perfekt. Ihre Frequenz kann sich im Lauf der Zeit leicht verändern, zum Beispiel wenn sich ihre Temperatur verändert. Wenn man eine wirklich hochpräzise Uhr haben möchte, muss man den Laserstrahl (oder das Mikrowellenfeld) stabilisieren.
Und genau hier wird die Atomphysik wichtig: Man verwendet einen Laser, der exakt auf ein ganz bestimmtes Atom abgestimmt ist. Dieses Atom reagiert auf den Laser – aber nur dann, wenn er tatsächlich exakt die richtige Frequenz hat. Verändert sich die Laserfrequenz auch nur ein kleines bisschen, wird die Wahrscheinlichkeit, dass er den Energiezustand des Atoms verändert, sofort deutlich kleiner. Das bedeutet: Das Atom wirkt als Detektor, an dem man hochsensibel erkennen kann, ob der Laser noch die gewünschte Frequenz hat, oder ob er vom Zielwert weggedriftet ist und korrigiert werden muss.
Das ist das große Geheimnis der Präzision moderner Atomuhren: Man nutzt die extreme Empfindlichkeit der Quantenphysik um den Taktgeber der Uhr zu stabilisieren. Atome haben den unschätzbaren Vorteil, absolut identisch zu sein: Zwei Pendel derselben Pendeluhr-Produktionsserie sind vielleicht ähnlich, aber niemals ganz exakt gleich. Zwei Strontium-87-Atome hingegen sind immer ganz exakt ununterscheidbar. Sie haben an jedem Ort und zu jeder Zeit garantiert dieselben Eigenschaften.
Trotzdem hat man immer noch mit einer ganzen Reihe von möglichen Störungen zu kämpfen. So reagieren Atome zum Beispiel sehr empfindlich auf elektromagnetische Felder: Wenn die Atomuhr gegen elektrische oder magnetische Störungen von außen nicht perfekt abgeschirmt ist, dann können sich die Energiezustände des Atoms ein kleines bisschen ändern, und die Atomuhr stabilisiert nicht mehr exakt die gewünschte Frequenz. Sogar Wackelbewegungen der Atome können ein Problem sein: So wie ein vorbeifahrender Krankenwagen mit Signalhorn wegen des Dopplereffekts unterschiedlich klingt, je nachdem ob er auf uns zukommt oder sich von uns entfernt, nimmt ein Atom auch wegen des Dopplereffekts unterschiedliche Lichtfrequenzen auf, abhängig davon, ob es sich gerade auf den Laser zubewegt oder sich gerade von ihm entfernt.
Deshalb sind Atomuhren zwar extrem präzise, aber doch nicht perfekt. Die besten Cäsium-Uhren der Welt erreichen eine Genauigkeit von ungefähr 2e-16, das ist ein Fehler von 0.2 Millionsteln von einem Milliardstel. Diese Präzision kann man in menschlichen Begriffen kaum ausdrücken. Es ist, als würde man die Distanz Erde-Mond auf rund 100 Nanometer genau messen. Die besten Strontium-Uhren der Welt sind noch einmal deutlich besser. Sie erreichen eine Genauigkeit von ungefähr 1e-18 – das entspräche einem Fehler von wenigen Atomdurchmessern bezogen auf die Distanz Erde-Mond.
Oft wird das veranschaulicht, indem man die Genauigkeit auf das Alter des Universums bezieht: Mit dieser Genauigkeit könnte man theoretisch die Zeit seit dem Urknall auf eine halbe Sekunde genau messen. Das darf man aber nicht falsch verstehen: Natürlich kann kein Gerät der Welt über Milliarden Jahre störungsfrei arbeiten. Als Größenordnungsvergleich stimmt das aber.
Längst sind solche Atomuhren keine exotischen Spezialmaschinen für akademische Forschung mehr – sie sind ein unverzichtbarer Bestandteil unseres Alltags geworden. Wir benötigen hochpräzise Zeitmessung zum Beispiel für Satellitennavigation: Metergenaue GPS-Signale wären ohne Atomuhren völlig unmöglich. Atomuhren in den Satelliten ermöglichen exakte Zeitsignale, aus denen man dann auf der Erde berechnen kann, wie lange dieses Signal unterwegs war – und daraus lässt sich dann ableiten, wie weit der Satellit entfernt ist. Auch Mobilfunk, Datennetze und Stromnetze brauchen hochpräzise Zeitsignale, um korrekt zu funktionieren.
Der nächste große Schritt: Vom Atom zum Kern
Was ist nun aber, wenn die Präzision einer Atomuhr nicht ausreicht? Theoretisch ist das schon seit Jahrzehnten klar: Der logische nächste Schritt ist, statt eines ganzen Atoms einen Atomkern zu verwenden.
Atomkerne sind viel kleiner als Atome und viel besser vor Störungen geschützt. Viele elektromagnetische Felder von außen, die bei Atomen eine ganz wichtige Störungsquelle sind, spielen im Atomkern kaum eine Rolle. Daher schien lange schon völlig klar: Könnte man einen Atomkern statt eines Atoms zur Stabilisierung einer Uhr verwenden, wäre eine noch viel größere Präzision erreichbar. Nur wusste lange Zeit niemand, wie das gelingen könnte.
Es mag verwirrend klingen, aber in der Physik sind Atomphysik und Atomkernphysik eigentlich zwei völlig unterschiedliche Gebiete, die wenig miteinander zu tun haben. (Daher reagieren manche Physikerinnen und Physiker auch allergisch, wenn jemand von “Atomkraftwerken” oder “Atombomben” spricht, weil es eigentlich “Kernkraftwerke” und “Kernwaffen” heißen sollte – aber das kann man sehen, wie man will. Alltagssprache ist etwas anders als Wissenschaftssprache.)
Atomuhren haben mit Atomphysik zu tun – dabei geht es um die Elektronen im Atom und ihre Energien. Der Atomkern wird dabei nicht verändert. Er ist einfach da. Was im Atomkern genau passiert, ist in der Atomphysik egal. Darum kümmert sich die Kernphysik.
In beiden Gebieten hat man normalerweise mit völlig unterschiedlichen Energie-Größenordnungen zu tun. Typische Energien in der Atomphysik liegen im Bereich von einigen Elektronenvolt. Und das ist auch genau die Energie-Größenordnung, die Photonen des sichtbaren Lichts haben. Daher kann man mit sichtbaren Laserstrahlen die Elektronen der Atome anregen und von einem Energiezustand auf einen anderen umschalten.
In der Kernphysik hingegen sind viel größere Energien üblich. Auch ein Atomkern kann sich in unterschiedlichen Quantenzuständen befinden. Aber die Energiedifferenz zwischen ihnen ist gigantisch. Sie liegt oft bei tausenden oder bei Millionen Elektronenvolt. Das heißt: Schießt man mit einem Laser auf einen Atomkern, ist das dem Atomkern völlig egal. Einen Atomkern könnte man höchstens mit Gammastrahlung beeindrucken. Aber Gammastrahlen-Laser gibt es nicht, und wenn es sie gäbe, würde man mit ihnen wohl lieber nicht hantieren wollen.
Wolkenkratzer und Bordsteinkanten
Mit einem Laser einen Atomkern anregen zu wollen ist also ungefähr wie der Versuch, von der Bordsteinkante aus auf einen Wolkenkratzer zu springen: Es ist prinzipiell nicht besonders erfolgsversprechend, denn die typische Wolkenkratzerhöhe passt größenordnungsmäßig einfach nicht zur typischen Sprungfähigkeit eines Menschen.
Aber kann es nicht sein, dass es trotzdem irgendwo einen ganz außergewöhnlich kleinen Wolkenkratzer gibt? Vielleicht einen, der nur so hoch ist wie eine Bordsteinkante? Dann könnte man technisch gesehen mühelos vom Boden auf das Dach dieses Mini-Wolkenkratzers springen. Oder übersetzt in die Kernphysik: Wenn man einen Atomkern findet, bei dem ein Energiezustand existiert, der nur ein ganz kleines bisschen höher ist als der Grundzustand, dann kann man den Atomkern theoretisch mit einem Laserstrahl von dem einen Zustand in den anderen Zustand bewegen. Aber gibt es so einen Atomkern?
Schon in den 1970er-Jahren fand man erste Hinweise darauf, dass das der Fall sein könnte. Dabei ging man zunächst von einem Atomkern von viel höherer Energie aus, einem Uran-Kern. Dieser Uran-Kern ist radioaktiv, er zerfällt in einen Thorium-Kern mit sehr hoher Energie. In diesem hohen Energie-Zustand kann der Thorium-Kern nicht bleiben – er „fällt“ in einen tieferen Thorium-Zustand. Die Energie, die er dabei verliert, wird in Form von Strahlung abgegeben. Man konnte diese Strahlung messen und stellte fest: Es scheint nicht nur einen niederenergetischen Thorium-Zustand zu geben, in den der Kern zerfallen kann, sondern gleich zwei – ganz eng beisammen.
Das ist ein bisschen so, als würde man Bälle vom Dach eines Wolkenkratzers werfen. Aus der Energie, die diese Bälle dabei abgeben, versucht man, die Höhe des Wolkenkratzers auszurechnen. Und nun stellt man fest: Manche Bälle geben ein bisschen mehr Energie ab, manche ein bisschen weniger. Der Grund kann sein, dass es unten am Boden nicht ein einziges, einheitliches Niveau gibt, sondern zwei: Die Straße und den Bordstein. Manche Bälle fallen auf den Bordstein, manche fallen auf die Straße, die ein paar Zentimeter weiter unten ist.
Die genaue Höhe der Bordsteinkante wird man auf diese Weise kaum bestimmen können. Und bei den Energien der Atomkerne ist es so ähnlich: Man fand Hinweise darauf, dass es bei Thorium zwei Energie-Niveaus gibt, mit einem Abstand von weniger als 100 Elektronenvolt. Aber wie groß der Abstand tatsächlich ist, war zunächst völlig unklar.
Damit nützt die Erkenntnis aber zunächst recht wenig. Denn wenn man mit diesen Energieniveaus arbeiten möchte, dann muss man ihre Energiedifferenz sehr genau kennen. Nur dann weiß man exakt, welches Laserlicht man braucht, um die Atomkerne von einem Zustand in den anderen Zustand umzuschalten.
Die Nadel im Heuhaufen
Aber kann man die gesuchte Energie nicht einfach durch Ausprobieren finden? Was ist, wenn man einfach nacheinander alle möglichen Laserfrequenzen auf Thorium-Atomkerne schießt, so lange bis man zufällig die richtige Frequenz gefunden hat und der Thoriumkern seinen Energiezustand wechselt?
Das ist leider keine sinnvolle Strategie. Alle möglichen Frequenzen auf diese Weise durchzuprobieren, würde viele Jahre dauern (und vermutlich ganze Generationen bemitleidenswerter Diplomanden und Diplomandinnen in den Wahnsinn treiben).
Man musste also zunächst versuchen, den Energiebereich auf indirekte Weise präziser einzugrenzen. Um im Wolkenkratzerbild zu bleiben: Man musste zunächst viele Bälle vom Dach des Wolkenkratzers werfen, um die Höhe der Bordsteinkante besser abschätzen zu können.
Bald zeigte sich: Der gesuchte Energieabstand schien extrem klein zu sein, viel kleiner als 100 Elektronenvolt. 3,5 Elektronenvolt lautete eine frühe Vermutung. 2005 wurde ein Wert von 5,5 Elektronenvolt veröffentlicht – mit einer damals geschätzten Genauigkeit von einem Elektronenvolt.
Und so entbrannte ein weltweiter Wettlauf: Forschungsteams aus Europa, den USA und Japan lieferten sich ein Rennen um die besten Ergebnisse. 2009, Lawrence Livermore Lab: Fehlerabschätzung ein halbes Elektronenvolt. 2019, Deutschland und Österreich: Eine Genauigkeit von 0.17 Elektronenvolt. 2020: Wieder 0.17 Elektronenvolt. Die Genauigkeit war also massiv gestiegen, aber die Ergebnisse waren immer noch viel zu unpräzise, um darauf hoffen zu können, den Energieübergang mit einem Laser tatsächlich exakt zu treffen.
Das hatte Thorsten Schumm erwartet. Schon immer war klar gewesen: Wenn man nur einzelne Thorium-Atome untersucht, wird man immer nur ein sehr schwaches Signal erhalten. In Wien hatte man daher begonnen, Kristalle zu produzieren, die eine große Zahl von Thorium-Atomen enthalten, die für das Laserlicht ansonsten aber durchsichtig sind. Auf diese Weise kann man viele Thorium-Kerne gleichzeitig bestrahlen und ein viel stärkeres Resultat messen.
Dafür handelt man sich aber viele andere Probleme ein: Man muss auf hochpräzise Weise Kristalle erzeugen, die radioaktive Atome enthalten – mit allen Schwierigkeiten und Sicherheitsvorschriften, die damit verbunden sind.
Kristallherstellung ist wieder ein völlig anderes Teilgebiet der Physik, das mit Atomphysik und Kernphysik sehr wenig zu tun hat. „Dass ich mal Festkörperphysik machen würde, hätte ich mir nie gedacht“, verriet mir Thorsten Schumm einmal. Aber das war nun mal der Weg, den man gehen musste, wenn man den Thorium-Wettlauf gewinnen wollte.
Und plötzlich geht alles ganz schnell
Im Jahr 2023 konnten TU Wien und LMU München mit Hilfe anderer Thorium-Kristalle erstmals das Licht eines Kernübergangs messen. Zum ersten Mal musste man nicht mehr den komplizierten Umweg über einen anderen Zustand nehmen, sondern konnte die gesuchten Zustände selbst beobachten. Oder im Wolkenkratzerbild ausgedrückt: Man musste nicht mehr Bälle vom hohen Dach werfen, man konnte Bälle untersuchen, die einfach nur vom Bordstein auf die Straße plumpsten. Damit ist natürlich eine viel präzisere Messung möglich: Plötzlich lag die Genauigkeit bei 0.024 Elektronenvolt.
Das war nun endlich exakt genug, um tatsächlich Schritt für Schritt nach der exakten Frequenz zu suchen, mit den in Wien hergestellten Thorium-Kristallen. Und im November 2023 entdeckte man sie endlich, die Nadel im Heuhaufen: Bei 8,355743 ± 0,000003 Elektronenvolt, in einer Gemeinschaftsarbeit von TU Wien und PTB Braunschweig. Man war also von „weniger als 100 Elektronenvolt“ auf eine Präzision im Bereich von Millionsteln Elektronenvolt gekommen.
Damit war endgültig klar: Thoriumkerne sind tatsächlich für Laserexperimente geeignet – und man wusste nun ganz genau, mit welchem Laser das gelingt. Damit war der Weg frei für angewandte Forschung: Innerhalb weniger Monate gelang es, aus dem Thorium-Kern einen Taktgeber zu machen und mit einer gewöhnlichen Atomuhr zu koppeln. Und 2026 schließlich – zufällig genau in der Woche, in der die Nobelpreise vergeben wurden – erschien die Fachpublikation, die verkündete: In Wien steht die erste echte selbststabilisierende Atomkern-Uhr. Das große Ziel war erreicht.
Dabei muss man fairerweise dazusagen: Die erste Atomkernuhr ist derzeit noch nicht präziser als die besten Atomuhren unserer Zeit. Das war auch noch nicht das Ziel. Das erste Auto war auch nicht schneller als ein Pferd. Man hat den ersten Prototypen hergestellt – und nun gibt es eine lange Liste von Ideen, wie man die Genauigkeit noch deutlich steigern kann.
Und wozu das Ganze?
„Aber wer braucht nun sowas?“ könnte man natürlich fragen. „Ist es denn überhaupt notwendig, eine Uhr zu bauen, die noch präziser ist?“ Aber wie so oft in der Grundlagenforschung ist das eine ziemlich naive Vorstellung.
Atomkernuhren könnten bei all den Dingen, für die wir heute Atomuhren verwenden, noch größere Präzision ermöglichen: Noch genauere Satellitennavigation zum Beispiel, eines Tages vielleicht mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Millimetern?
Aber das ist noch lange nicht alles. Entscheidend ist: Wenn man Zeit präziser messen kann, dann kann man auch andere Dinge präziser messen. Die Länge des Meters definieren wir heute über Zeit: Es ist die Distanz, die das Licht während 1/299792458 Sekunde zurücklegt. Kann man Zeit präziser messen, kann man Längen präziser bestimmen. Geschwindigkeit ist Weg pro Zeit. Kraft ist Masse mal Beschleunigung. All diese physikalischen Größen haben also mit Zeit zu tun. Es ist ziemlich egal, was man messen möchte: Mit besseren Uhren wird fast alles präziser.
Man könnte damit zum Beispiel das Schwerefeld der Erde viel besser vermessen als bisher. Befindet sich unter uns dichteres oder weniger dichtes Material? Ein Atomkernuhr-Gravitationsmessgerät könnte das herausfinden. Wir haben heute noch keine Ahnung, welche Anwendungsideen sich daraus ergeben werden. Aber wir wissen aus Erfahrung: Wenn man etwas präziser messen konnte, gab es immer auch einen Nutzen dafür. Es ist schwer vorzustellen, dass ein hochpräzises Messgerät erfunden wird, mit dem dann niemand messen möchte.
Licht ins Dunkel der Materie?
Die vielleicht spektakulärsten Fortschritte könnte die Atomkernuhr aber in der Grundlagenforschung bringen: Mit ihr könnte man großen Fragen nachgehen, die man bisher einfach nicht erforschen könnte. Sind die Naturkonstanten wirklich konstant? Oder verschieben sich ihre Werte im Lauf der Zeit ein kleines bisschen? Stimmen die Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie so, wie wir das heute vermuten, oder gibt es Anomalien? Können wir durch extrem präzise Messungen etwas über Dunkle Materie herausfinden?
Und das zeigt, wie die Physik in sich verwoben ist: Eine Idee aus der Atomphysik wird in die Kernphysik übertragen, indem man Methoden der Festkörperphysik verwendet, um neuartige Kristalle zu züchten. Dahinter steckt natürlich auch noch jede Menge Optik, Elektronik und Informatik. Und am Ende könnte das Ergebnis Durchbrüche ermöglichen, die man sonst mit Teilchenbeschleunigern sucht, oder mit Weltraumteleskopen.
All das sind Fächer, die im Physikstudium getrennt voneinander unterrichtet werden. Normalerweise entscheidet man sich für eines davon, wenn man forschen will. Geht man in die Kernphysik, dann fährt man zu Kernphysik-Konferenzen und hört anderen Leuten aus der Kernphysik zu. So funktioniert Wissenschaft.
Aber noch viel besser funktioniert sie manchmal, wenn man nicht fragt: Welche offenen Fragen kann ich mit den Fähigkeiten meines Fachgebiets nun beantworten? Sondern: Welche Fähigkeiten brauche ich, um diese Frage, an der ich seit Jahren herumtüftle, endlich zu beantworten? Und das führt dann manchmal in ganz fremdes Territorium. Und manchmal führt es zu einer tollen neuen Erfindung. Wir dürfen gespannt sein, welche Überraschungen uns die Atomkernuhr noch liefern wird.
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Quellen
Atomuhren und Messprinzip
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