Technik

Atomuhr bringt theoretische Physik ins reale Leben

von Carola Franzke

Nahaufnahme der Vakuumkammer der Atomuhr
Zeit ist Höhe: Mithilfe der Relativitätstheorie und einer Atomuhr können Forscher Höhenunterschiede messen. Foto: Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Das erfahren Sie gleich:

  • Laut Relativitätstheorie ist Zeit sozusagen Privatsache: Sie ist davon abhängig, wo man sich aufhält
  • Dank der Genauigkeit einer Atomuhr kann gravitationsbedingte Zeitdehnung auf der Erde nachgewiesen werden
  • Mit einer praktischen Anwendung der theoretischen Physik sind extrem genaue Höhenmessungen möglich

Dank eines Experiments mit der Atomuhr könnte die theoretische Physik in Zukunft zentimetergenaue Auskunft über Höhenunterschiede auf der Erde geben.

Theoretische Physik verlässt das Labor

In einem aufwendigen Experiment haben Wissenschaftler mittels der Relativitätstheorie von Albert Einstein einen Zeitunterschied zwischen zwei Orten an der französisch-italienischen Grenze nachgewiesen – und können damit nun auch Höhenunterschiede präzise berechnen.

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Die Technik dazu kommt aus Deutschland: Die Physiker und Ingenieure aus sieben europäischen Forschungseinrichtungen haben dazu eine Atomuhr aus der Physikalisch-technischen Bundesanstalt in Braunschweig in einen Anhänger geladen. Diese Strontium-Uhr macht Messungen im Feld möglich: Manche Thesen aus der theoretischen Physik können nun also auch außerhalb des Laborumfelds nachgeprüft werden.

Die Relativitätstheorie und die Zeit

Die von Albert Einstein geschaffene Relativitätstheorie besagt unter anderem, dass Zeit an das Bezugssystem des Betrachters gebunden ist. Je schneller eine Bewegung oder je größer die Gravitation (zum Beispiel Erdanziehung), desto langsamer verläuft die Zeit. Für dieses Experiment bedeutet das: Zwei Orte auf der Welt, die auf unterschiedlichen Höhen liegen, haben jeweils ihre eigene Zeit.

Aus der Relativitätstheorie folgert: Eine Uhr auf der 5th Avenue geht langsamer als eine Uhr auf dem Empire State Building.

Laut der Relativitätstheorie würde also in New York eine Uhr auf der 5th Avenue langsamer gehen als eine Uhr auf dem Empire State Building – der Wolkenkratzer ist weiter weg vom Erdkern, und die Gravitation ist dort schwächer. Dieses Phänomen nennt sich in der theoretischen Physik gravitationsbedingte Zeitdehnung. Der Unterschied ist allerdings so klein, dass wir es nicht merken.

Bei dem Experiment im Fréjus-Tunnel wurde der Zeitunterschied zwischen der mobilen Atomuhr und einer Atomuhr im 90 Kilometer entfernten Turin gemessen. Turin liegt rund 1000 Meter tiefer als der Tunnel, die Gravitation dort ist also stärker. Tatsächlich haben die Wissenschaftler durch die direkte Verbindung per Glasfaserkabel einen Zeitunterschied gemessen und können so den Höhenunterschied präzise berechnen.

Die Genauigkeit der Atomuhr

Nur die Genauigkeit von Atomuhren erlaubt solche genauen Berechnungen der Höhenunterschiede. In der Zukunft soll das etwa bei großen Bauprojekten helfen und bei der Beobachtung des Meeresspiegels angewendet werden: Die Brückenteile der Hochrheinbrücke zwischen Deutschland und der Schweiz hatten beim Bau einen Höhenunterschied von gut einem halben Meter, und ein Anstieg des Meeresspiegels könnte mit präzisen Messungen schneller nachgewiesen werden.

Paradoxerweise ticken die Uhren in der Wissenschaft häufig langsamer – das Experiment, mit dem dieser Höhenunterschied auf der Erde mittels Atomuhren präzise bestimmt werden konnte, fand schon 2016 statt, die Ergebnisse wurden aber erst jetzt veröffentlicht.

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