Physik Atomuhren messen Höhenunterschiede zentimetergenau
Schwerefeld der Erde: Präzise Vermessung mit Atomuhren möglich
Foto: ESABerlin - Es gibt ganz unterschiedliche Möglichkeiten, um die Höhe eines Ortes zu bestimmen. Man kann beispielsweise den Luftdruck messen - benötigt dazu allerdings auch immer Vergleichswerte. Auch GPS-Satelliten ermöglichen eine Bestimmung der Höhe.
Physiker aus Braunschweig und München haben nun demonstriert, dass sich Höhen von zwei verschiedenen Orten auch mit Hilfe von Präzisionsuhren vergleichen lassen. Gesine Grosche von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB ) und ihre Kollegen nutzten dazu zwei Atomuhren, die fast 2000 Kilometer voneinander entfernt standen. Über Glasfasern konnten sie die minimal kleinen Gangunterschiede zwischen den Uhren bestimmen - und so den Höhenunterschied berechnen. Über ihr Experiment berichten die Wissenschaftler im Fachblatt "Physical Review Letters" .
Dass Uhren in unterschiedlichen Höhen unterschiedlich schnell ticken, folgt aus Einsteins Relativitätstheorie. Die geringere Anziehungskraft der Erde in größeren Höhen sorgt für die sogenannte gravitative Rotverschiebung . Ist eine Uhr weiter von der Erde entfernt, läuft für sie die Zeit etwas schneller ab. Der Effekt ist minimal - aber mit Atomuhren nachweisbar. 1971 luden Forscher dazu extra eine Atomuhr in ein Flugzeug und verglichen ihren Gang mit einer zweiten Uhr, die am Boden blieb. Und tatsächlich ergab sich der prognostizierte Gangunterschied.
Dass man mit zwei Atomuhren selbst Höhenunterschiede von wenigen Zentimetern ermitteln kann, hatten Physiker bereits 2010 in einem Laborexperiment demonstriert. Die Uhren standen dabei aber nahe beieinander. Grosche und ihre Kollegen wiederholten dieses Experiment nun mit zwei Uhren in fast 2000 Kilometern Abstand. Über Glasfaser übertrugen sie die Schwingungsfrequenz der einen Uhr zu der anderen und konnten so die Gangunterschiede bestimmen.
"Die Gesamtmessunsicherheit liegt bei nur 4*10-19, das entspräche vier Millimetern Höhenunterschied", sagte Stefan Droste vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München. Die Messung, ein hochempfindliches Interferometrieverfahren, dauere nur 100 Sekunden. "Prinzipiell können jetzt optische Uhren in weit entfernten Forschungsinstituten quasi zusammengeschaltet werden."
Die PTB und das Max-Planck-Institut für Quantenoptik wollen nun die Tauglichkeit ihres Verfahrens für die Vermessung der Erde untersuchen. "Wir arbeiten gemeinsam an dem Antrag für einen Sonderforschungsbereich zusammen mit den Universitäten Hannover und Bremen", sagte Grosche. Zudem könne die Technik auch für radioastronomische Untersuchungen eingesetzt werden.
