Bei diesem Präzisionsniveau würde sich ein Fehler von einer Sekunde erst nach mehr als 260 Milliarden Jahren ansammeln. Zum Vergleich: Das Universum ist weniger als 14 Milliarden Jahre alt.
Eine Atomuhr zählt die Zeit nicht mit Zahnrädern. Sie nutzt eine sehr präzise Änderung im Zustand eines Atoms, die durch Licht mit einer bestimmten Frequenz hervorgerufen wird. Diese Änderung dient als regelmäßiger Bezugspunkt, genauso wie ein Pendel den Takt einer mechanischen Uhr vorgibt.
Illustration des Lutetiums, das als Referenz in einer optischen Atomuhr verwendet wird.
Bildnachweis: Melanie Lee / Centre for Quantum Technologies.
Die Forschenden der National University of Singapore entschieden sich für Lutetium-176. Jede ihrer beiden Uhren schließt ein einzelnes Ion ein, also ein Atom mit elektrischer Ladung. Ein Laser wird auf die Eigenfrequenz dieses Ions eingestellt. Die erreichte Unsicherheit nähert sich 1 × 10-19, was einer Überprüfung bis zur 19. Nachkommastelle entspricht.
Eine solche Präzision ist jedoch nicht ausreichend, wenn sie nur mit einem einzigen Gerät erreicht wird. Daher bauten die Forschenden zwei unabhängige Uhren und verglichen ihren Gang etwa 200 Stunden lang. Der gemessene Unterschied blieb mit null vereinbar, bei einer Unsicherheit von 5,7 × 10-19.
Lutetium bietet hier einen praktischen Vorteil. Die zur Zeitmessung verwendete Frequenz reagiert nur sehr wenig auf Änderungen der Temperatur oder magnetische Felder. Dadurch sind mehrere Korrekturen, die bei anderen Atomen nötig wären, überflüssig. Die beiden Geräte können so bei Raumtemperatur arbeiten und dennoch ihre Präzision beibehalten.
Auf diesem Niveau wird sogar die Gravitation messbar. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie vergeht die Zeit je nach Höhe und Gravitationsfeld geringfügig unterschiedlich. Die beiden Uhren waren empfindlich genug, um den Effekt zu erkennen, der etwa 5 mm Höhenunterschied auf demselben Tisch entspricht.
Diese Empfindlichkeit eröffnet Anwendungsmöglichkeiten, die über die reine Zeitmessung hinausgehen. Solche Uhren könnten die Höhenlage verschiedener Orte auf der Erde sehr genau vergleichen, bestimmte Veränderungen des Gravitationsfelds verfolgen oder grundlegende physikalische Gesetze testen. Sie können auch dazu dienen, nach möglichen Variationen physikalischer Konstanten zu suchen.
Die offizielle Sekunde basiert noch auf einem Übergang im Cäsium-133, der seit den 1960er-Jahren als internationale Referenz verwendet wird. Optische Uhren nutzen wesentlich höhere Frequenzen und erreichen heute eine höhere Präzision. Internationale Gremien prüfen daher eine künftige Neudefinition der Sekunde auf Grundlage dieser neuen Generation von Uhren.
Der nächste Schritt wird darin bestehen, das System aus dem Labor zu holen. Die Forschenden arbeiten daran, die Lutetium-Uhr transportabel zu machen, ohne ihre Präzision einzubüßen. Ein mobiles Gerät würde es ermöglichen, Uhren in weit voneinander entfernten Laboren direkt zu vergleichen und ihre Leistung unter realen Bedingungen zu testen.