Cäsiumuhr
Wie typische Quarzuhren auch, arbeiten Caesiumuhren mit einem Schwingquarz, der dem inversen Piezoeffekt (der Zusammenhang elektrischer und mechanischer Spannung) unterliegt. Elektrische Spannungsimpulse bringen den Quarz zum schwingen, anhand dieser Schwingungen wird die Zeit gemessen. Der Einfachheit halber wird die Frequenz einer Quarzuhr mit 32.678 Hz (2^15 Hz) definiert.
Warum die Caesiumuhr erfinden?
Der Messfehler einer Quarzuhr von etwa 10 bis 30 Sekunden im Monat ist für den alltäglichen Gebrauch zwar zu vernachlässigen, für die Wissenschaft allerdings viel zu ungenau. Vor Allem GPS-Systeme verlassen sich auf wesentlich präzisere Zeitmessungen, die nur von sehr genauen Uhren wie zum Beispiel einer Caesiumuhr stammen können.
Wie kann man Zeit einteilen?
Der modernen Zeitmessung liegt ein einfaches Prinzip zugrunde. Die Zeit wird an sich stetig wiederholenden Vorgängen gemessen und definiert. Zum Beispiel schwingt eine Quarzuhr 32768 mal in einer Sekunde, also entspricht eine vollständige Kontraktion und Ausdehnung des Quarzes (die definierte Zeiteinheit) genau einem 32768stel einer Sekunde.
Je häufiger sich also ein Vorgang in einem bestimmten Zeitintervall wiederholt, desto kleiner sind die Zeiteinheiten, die dann eine genauere Zeitmessung ermöglichen. Daher suchten Wissenschaftler lange nach einer Quelle für eine extrem hohe, stabile Frequenz, während sich die Fehlerquellen möglichst gering halten.
Was eignet sich am Besten für eine Atomuhr?
Diese Quelle fand der US-Amerikanische Physiker Isidor Isaac Rabi im den 40-er Jahren in Caesium. Verdampft besitzt dieses Alkalimetall die Eigenschaft, Mikrowellen einer ganz bestimmten Wellenlänge absorbieren und wieder abstrahlen zu können. Dieser Vorgang wiederholt sich unter den richtigen Bedingungen unabdingbar und unter beinahe konstanter Frequenz. Zudem sind die involvierten Mikrowellen sehr charakteristisch und demnach leicht zu detektieren, so können weitere Fehlerquellen identifiziert und berücksichtigt werden. Die Caesiumuhr bietet ein sehr gutes Verhältnis von Genauigkeit zu Aufwand und ist daher die klassische Atomuhr.<br />Andere Stoffe wie Wasserstoff, Rubidium oder auch Ammoniak besitzen ähnliche Eigenschaften, eignen sich allerdings weniger als Caesium, da die Wellenlängen der abgegebenen und absorbierten Mikrowellen stärker variieren können. Fehler sind dann schwerer zu identifizieren, was in einem größeren Messfehler resultiert.
Was läuft im Inneren der Caesiumuhr ab?
Caesiumdämpfe werden unter Einwirken eines elektrischen Mikrowellenfeldes energetisch angeregt. Die Energie der Mikrowellen muss genau auf das Caesium abgestimmt werden, da der Vorgang sonst nicht stattfindet. Sind die Mikrowellen genau abgestimmt, springt ein Elektron des Caesiums auf ein höheres Energieniveau. Dieses Elektron fällt nun wieder auf das niedrigere, ursprüngliche Niveau und gibt dabei Energie in Form von Mikrowellen ab. Diese besitzen einmalige Charakteristiken, die die Identifikation und Messung möglich machen.
Die so abgegebenen Mikrowellen werden nun gemessen und als elektrische Signale an den Quarzoszillator geleitet. Die Frequenz des Oszillators passt sich an die des Caesiums an und misst letzten Endes die Zeit.
Als kleinste Zeiteinheit wird hier demnach genau eine Absorption und genau eine Abstrahlung von Mikrowellen definiert. Dieser Vorgang findet mit einer Frequenz von 9192,63177 MHz statt, also läuft ein jeder Vorgang insgesamt 9.192.631.770.000 mal in der Sekunde statt. Genau genug für GPS-Systeme, da daraus eine Zeitabweichung von gerade einmal einer Sekunde in 2.000.000 Jahren resultiert.
Zudem kalibriert sich das elektrische Mikrowellenfeld mithilfe einer ausgefuchsten Regelschleife aus verschachtelten mathematischen Prinzipien selbst. Es versucht bei jedem Zyklus die Energiezustände zu verbessern. Mit der Zeit gewinnt das innere System einer Caesiumuhr an Stabilität und weist genauere Daten auf. Indem die ausgegebenen Daten der Caesiumuhr mit anderen Atomuhren vergleicht, kann eine mittlere Zeit ermittelt werden.
Geht es noch genauer als die Caesiumuhr?
Ganz klar: ja. Während Rabis Grundlagen zu Atomuhren auch heute noch Anwendung finden, gibt es bereits neue Ansätze zu noch genaueren Methoden der Zeitmessung.
Zum Beispiel lassen sich mit optischen Atomuhren, die unter Lasereinwirkung Zustandsänderungen an Strontiumatomen messen, mit Leichtigkeit Frequenzen von über 400.000.000 MHz erreichen (also etwa 400.000.000.000.000 mal in der Sekunde). Allerdings finden hier auch unvorhersehbare, quantenmechanische Effekte statt, deren Kompensation Thema aktueller Forschung ist. Solch astronomisch genaue Zeitmessungen sind zum Beispiel in der Forschung über dunkler Materie unersetzlich.
Zusammenfassung:
Wie genau eine Uhr ist, hängt also größtenteils von der Frequenz der definierten Zeiteinheit ab.
Quarzuhren reichen nicht aus für die moderne Physik, trotzdem wird der Quarzoszillator in der Caesiumuhr verwendet. Caesiumdampf bietet die meisten Vorteile für eine genaue Zeitmessung bei geringem Aufwand, aber auch andere Stoffe sind gebräuchlich. Moderne Uhren können wesentlich genauer sein als Caesiumuhren, stoßen sich aber an quantenmechanischen Effekten.
