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Geht das nicht genauer?

Das Motto der Naturwissenschaft: Was man messen kann, messen. Was man nicht messen kann, messbar machen. Und was man schon gemessen hat, noch einmal exakter messen.

Gelbes Maßband, Nahaufnahme

Früher war Zeitmessung einfach. Seit tausenden Jahren nutzt der Mensch die Bewegung der Erde als Taktgeber für Tag und Jahr. Doch man wollte immer genauer messen: Im 15. Jahrhundert wurden die ersten Uhren mit Sekundenzeiger gebaut, inzwischen ist man in ganz andere Größenordnungen vorgedrungen und dort wird die Sache richtig kompliziert: In der Attosekundenphysik – ein Forschungsbereich, in dem etwa das Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) sehr erfolgreich ist – untersucht man physikalische Phänomene auf atomarer Skala, die auf einer Zeitskala von Attosekunden ablaufen. Eine Attosekunde ist ein Milliardstel einer Milliardstelsekunde. Sie verhält sich zu einer Sekunde ungefähr so wie eine Sekunde zum Alter des Universums.

Zeit

Die besten Atomuhren der Welt erreichen eine Präzision von ungefähr 5x10 hoch -18, das entspricht einem Fehler von einer Sekunde nach einer Messdauer von mehreren Milliarden Jahren. Doch wer glaubt, mit dieser Präzision seien alle jemals nötigen Genauigkeitsanforderungen erfüllt, der irrt.

Am Atominstitut der TU Wien wird inzwischen an einer Technologie gearbeitet, die eine noch deutlich präzisere Zeitmessung erlauben soll: Auf die Atomuhr soll die Atomkernuhr folgen, wenn es nach Prof. Thorsten Schumm geht. Er leitet das Projekt „Thorium Nuclear Clock“, das kürzlich vom ERC mit 13,8 Millionen Euro gefördert wurde. Dabei geht es darum, einen ganz besonderen Quantenzustand von Thorium-Atomkernen zu untersuchen, der als Taktgeber für hochpräzise Zeitmessungen besser geeignet sein soll als jeder andere bisher bekannte Quantenzustand.

Raum

Nicht nur die Zeit, auch den Raum kann man mit Methoden der Quantentechnologie vermessen – da stößt man allerdings auf ein Problem: Auf atomarer Größenskala hat ein Teilchen keinen genau definierten Aufenthaltsort mehr. Es verteilt sich über einen bestimmten Bereich des Raums, ähnlich wie eine Welle.

Der genaue Abstand zwischen zwei Teilchen ist daher schwer zu definieren, aber man kann die Form der Quantenwelle sehr exakt untersuchen: Markus Kitzler-Zeiler vom Institut für Photonik vermisst quantenphysikalische Teilchenwellen mit einer Präzision im Pikometerbereich – das ist ungefähr ein Hundertstel vom Durchmesser eines Wasserstoffatoms.

Masse

Eine unglaubliche Präzision lässt sich auch beim Messen von Masse erreichen: In der Forschungsgruppe von Prof. Friedrich Aumayr am Institut für Angewandte Physik wurde eine Quarzkristall-Mikrowaage entwickelt, mit der man Massenänderungen von Milliardstel eines Gramms messen kann: Ein Quarzkristall wird in Schwingung versetzt, seine Eigenfrequenz wird gemessen. Weil diese Eigenfrequenz von der Masse des Kristalls abhängt, kann man an der Änderung der Eigenfrequenz direkt auf Masseänderungen schließen.

Mit Masse haben auch die Präzisions-Experimente von Prof. Hartmut Abele am Atominstitut zu tun: Er untersucht Neutronen, die aufgrund ihrer Masse von der Erde angezogen werden. Weil die Neutronen so leicht sind, ist die Gravitationskraft winzig klein – aber mit Tricks aus der Quantenphysik kann man sie trotzdem präzise messen.

Wozu das Ganze?

Aber wozu will man das alles überhaupt so genau wissen? Ist es die bloße Gier nach Sensationen und Rekorden, von der die Wissenschaft hier angetrieben wird? Nein – natürlich nicht. All diese Messungen sind kein Selbstzweck, sie sind dafür da, ganz konkrete technische Probleme zu lösen. Die Attosekundenphysik und die Vermessung winziger Teilchen ermöglicht nicht nur neue Erkenntnisse über ganz grundlegende Fragen der Wissenschaft, sondern auch neue Möglichkeiten, Moleküle zu detektieren und zu identifizieren – bis hin zum Nachweis von Krankheiten mit Hilfe von Laserstrahlen. Die Quarzkristall-Mikrowaage dient der Kernfusionsforschung. Mit ihr wird gemessen, wie stark bestimmte Materialschichten durch den Beschuss mit schnellen Teilchen abgetragen werden. Und die Vermessung der Gravitationskraft mit Hilfe von Neutronen soll einen Beitrag dazu leisten, einige der größten ungelösten Fragen der heutigen Naturwissenschaft aufzuklären: Das Rätsel rund um dunkle Materie und dunkle Energie.

Oft können sich durch Hochpräzisions-Messungen auch völlig neue praktische Anwendungen ergeben, an die vorher kaum jemand gedacht hat – denn die präzisere Messung einer physikalischen Größe ermöglicht indirekt auch eine höhere Präzision einer anderen physikalischen Größe. Wenn man etwa Zeit präziser messen kann, dann lässt sich auch Beschleunigung präziser messen. Das wiederum erlaubt eine noch präzisere Messung von Kraft. Wer weiß – vielleicht wird man in ein paar Jahrzehnten eine Thoriumkern-Uhr nutzen, um das Gravitationsfeld der Erde zu vermessen und das Innere der Erde nach Erzlagerstätten zu durchsuchen? Wir dürfen gespannt sein.