Die Zeit im Takt der Attosekunden

24. Oktober 2003, 21:52
posten

Neue Techniken sollen eine neue, präzisere Definition dessen liefern, was Zeit ist

"Was für eine Zeitumstellung?" "Von Sommer auf Winter!" "Ach die, ja gut. Dieses Wochenende, sagen Sie?" "Ja! Welche meinen Sie denn?" "Die eigentliche Zeitumstellung, an der wir gerade arbeiten. Ich weiß jedoch nicht, wann es so weit ist. Es kann aber nur noch maximal ein paar Jahre dauern." "Und dann?" "Werden wir sehen, ob man die neue Zeitdefinition einführen wird. Das hängt von den internationalen Instituten für Zeitmessung ab."

Der deutsche Wissenschafter Klaus Witte befasst sich am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München seit Jahren mit der Zeit. Mit jener, die zwischen Vergangenheit und Zukunft die Gegenwart beschreiben soll. Dafür zerschnipseln der Quantenphysiker und seine Kollegen die gute alte Zeit in immer kleinere Zeiteinheiten.

Unerklärliches erklären

Wohin das führen wird und wie lange dies dauert, weiß heute niemand. Wenngleich die theoretische Physik, die mit ihren Modellen immer wieder das Unerklärliche erklärt, auch für diese Reise schon ein Ziel gesteckt hat: Die Zeit werde irgendwann diskontinuierlich, und so wie Materie aus Atomen besteht, setze sich auch die Sekunde aus einzelnen aneinander gereihten Stücken von Gegenwart zusammen. Die müsse man halt suchen. Und finden.

Auf dem Weg dorthin ist man schon relativ weit. Einer von Wittes Kollegen, weltweit führend in der Zeitzerlegung, ist der Wiener Physiker Ferenc Krausz, der Anfang 2004 als Direktor des Max-Planck-Instituts nach Deutschland übersiedeln wird. Mit Laserblitzen, die mitunter kürzer sind als eine Femtosekunde (das sind 0,000000000000001 Sekunden) und quasi als Blitzlicht für Aufnahmen der Mikrowelt dienen, kommt heute niemand der Gegenwart so nahe wie Ferenc Krausz.

Ladung an Zeitwissen

Logisch, dass das deutsche Institut mit seiner geballten Ladung an Zeitwissen im rasanten internationalen Wettlauf um eine neue, präzisere Zeitdefinition ganz vorne liegt. Die alte taugt nämlich nicht mehr. Sie hinkt der Gegenwart zu sehr hinterher: "In einer Femtosekunde kann wahnsinnig viel passieren", erklärt Quantenphysiker Witte. In dieser Zeit kann etwa ein Elektron mehrmals um den Atomkern flitzen.

Schon im Jahr 1967 wurde die Sekunde amtlich zerlegt. Wissenschafter aus der ganzen Welt schworen der Erdumdrehung als Zeitmaß ab und wandten sich dem Atom zu. Die Sekunde wurde definiert als "das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen zwei Strukturniveaus von Cäsium-133-Atomen entsprechenden Strahlung". Das ist präziser als die Erdrotation, die wegen der Gezeiten um ein paar Millionstelsekunden schwankt.

Lichtpulse

Diese Zeitdefinition hat bis heute Gültigkeit, sämtliche Atomuhren ticken im Takt dieser Picosekunden - und danach richten sich etliche Technologien: So hängt etwa die Präzision von Satellitennavigationsgeräten von der Genauigkeit der Zeitmessung ab.

Diese hat sich ab dem Jahr 1990 rapide verbessert, als mit Lasertechnik erstmals Lichtpulse erzeugt wurden, die von noch kürzerer Dauer sind, als die Atomuhr tickt. Von der Cäsiumzeit im Picobereich war man in die Femtowelt eingedrungen, konnte Zeitintervalle von Billiardstelsekunden messen. Ferenc Krausz war das noch immer zu weit von der Gegenwart entfernt. Mit einer neuen Lasertechnik erzeugte er vor zwei Jahren Lichtpulse, deren Dauer im Bereich von Attosekunden lag: zehn hoch minus 18 Sekunden. Damit könnten - ähnlich wie bei Fotoaufnahmen mit einem Stroboskop schnelle Bewegungen für den Moment eingefroren werden - bald vielleicht auch um einen Atomkern kreisende Elektronen aufgenommen werden.

Die Zeit scheint den Physikern also reif für eine neue Definition ihrer selbst: Statt rund neun Milliarden Schwingungen des Cäsium-Atoms zu zählen, wollen sie die Zeit an einem Atom mit 100.000-fach höherer Resonanzfrequenz festmachen. Eine solche Schwingung könnte man mit Laser anregen. Sichtbares Laserlicht wäre dann Taktgeber, weshalb man von "optischen" Atomuhren spricht. Man könnte es durch eine Glasfaser von einem Labor zum anderen schicken - die "Sekunde aus der Steckdose" quasi.

Experimente

Experimentiert wird derzeit mit Kalzium-Atomen und rotem Licht sowie mit Ytterbium-Ionen und violettem Licht. "Dass wir die Entwicklung einer neuen Atomuhr bald abgeschlossen haben werden, steht fest", ist Klaus Witte überzeugt. "Und wenn nicht Tag und Nacht ein Physiker daneben stehen muss, sondern wenn sie vollautomatisch geht", hofft er, dass die Menschheit bald eine neue Zeit bekommt.

Bis dahin wird zunächst einmal die Sommer- auf die Winterzeit umgestellt. Und zwar diesen Sonntag: Um drei Uhr früh werden die Chronometer um eine Stunde auf zwei Uhr zurückgestellt. (Andreas Feiertag, DER STANDARD Printausgabe 25/26.10.2003)

An diesem Wochenende werden die Uhren von Sommer- auf Winterzeit umgestellt. An einer Zeitumstellung umfassenderer Art arbeiten derzeit Quantenoptiker in München und Wien: Neue Techniken sollen eine neue, präzisere Definition dessen liefern, was Zeit ist.
Share if you care.