Werfen Sie mal einen Blick auf die nächstbeste Uhr. Egal, welche Zeit dort angezeigt wird: Es ist in nahezu allen Fällen nicht die richtige. Denn herkömmliche Uhren können nur einen Näherungswert abbilden, der mehr oder weniger dicht an der tatsächlichen Zeit ist. Am genauesten sind Atomuhren. An der Universität Singapur haben Forschende nun das mit Abstand präziseste Exemplar entwickelt.

Die Uhr läuft auf Basis des Schwermetalls Lutetium und stellt einen neuen Genauigkeitsrekord auf: Erst nach 55 Milliarden Jahren würde sie eine Abweichung von einer Sekunde zeigen. Zum Vergleich: Unser Universum ist 13,8 Milliarden Jahre alt. Damit ist die in Singapur entwickelte Uhr zehnmal präziser als die bislang besten Atomuhren.

Grundlage unseres Alltags

Atomuhren sind in vielen Bereichen unseres Lebens unentbehrlich. Ohne sie gäbe es etwa keine Satellitennavigation – denn schon Abweichungen von einer Mikrosekunde führen zu Ortungsfehlern von mehreren Hundert Metern. Atomuhren synchronisieren auch das Internet, den Handel an den Börsen und sorgen für die Stabilität von Stromnetzen.

Der von den Forschenden in Singapur erzielte Sprung in der Genauigkeit könnte enorme Fortschritte ermöglichen, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt »Nature«. Sie betreffen demnach nicht nur die Grundlagenphysik, sondern auch praktische Anwendungen.

Wie Atomuhren funktionieren

Das Zentrum extrem genauer Atomuhren bildet jeweils ein Ion, also ein elektrisch geladenes Atom. Es wird von elektrischen Feldern in einer Vakuumkammer festgehalten, wo es von einem Laser beschossen wird.

Hat dessen Licht die richtige Energie, springt ein Elektron in dem Ion auf ein höheres Energieniveau. Ein zweiter Laser prüft, ob das geschehen ist. Andernfalls wird der erste Laser automatisch nachjustiert. Diese Rückkopplung stabilisiert die Strahlung des Lasers.

Diese Strahlung enthält eine feste Anzahl von Schwingungen pro Sekunde – gewissermaßen das Pendel der Uhr: Die Anzahl der Schwingungen misst die Zeit. Bei einer Cäsium-Atomuhr sind es mehr als neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde. Generell gilt: Je höher die Frequenz, desto genauer lässt sich die Zeit messen.

Darum ist die neue Uhr so besonders

In der neuen Lutetium-Uhr schwingt die Laserstrahlung deutlich öfter, nämlich 353,6 Billionen Mal pro Sekunde. Und im Gegensatz zu Atomuhren, die auf anderen Elementen basieren, ist sie wesentlich unempfindlicher gegen Temperaturänderungen und Magnetfelder. »Die Lutetium-Uhr bliebe sogar stabil, wenn man sie vom heißesten Ort auf der Erde, dem Death Valley, zum kältesten Ort auf dem Hochplateau der Antarktis bringt«, sagt Murray Barrett von der Universität Singapur.

Um ihre Genauigkeit zu bestimmen, bauten Barrett und seine Kollegen zwei solche Uhren nebeneinander auf und verglichen die Zeitmessungen. Dabei stieß das Team auf ein unerwartetes Problem: Die Uhren sind so genau, dass sie schon auf geringe Höhenunterschiede reagieren.

Denn wie die Relativitätstheorie von Albert Einstein zeigt, hängt die Zeit von der Schwerkraft ab. Da die Schwerkraft der Erde mit der Höhe abnimmt, laufen Uhren auf der Erdoberfläche langsamer als im Weltall. Bei einem geostationären Satelliten macht dieser Effekt etwa 50 Mikrosekunden pro Tag aus.

Fünf Millimeter Höhenunterschied ändern alles

Wie die Forscher berichten, führte bei den Lutetium-Uhren bereits ein Höhenunterschied von fünf Millimetern zu einem messbaren Unterschied und musste daher korrigiert werden.