Am 1. Juni 2008 wurde Prof. Theodor W. Hänsch, Ludwig-Maximilians-Universität München und Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik als neues Mitglied im "Orden Pour le mérite für Wissenschaften und Künste" aufgenommen. Dieser Orden gilt in Deutschland als eine der höchsten Ehrungen für Wissenschaftler und Künstler. Das neue Zeitmaß hat weitreichende Auswirkungen – es stellt sich die Frage der Neudefinition des Kilogramms. 

Prof. Theodor Hänsch hat sich weltweit einen ausgezeichneten Namen erworben. Er hat einen neuen Weg zur Entwicklung einer Technik zu einer äußerst präzisen optischen Zeitmessung gezeigt, die zur Schaffung eines neuen Standards für die Zeiteinheit und eine global vereinheitlichte Zeitmessung führen wird: die „Optische Uhr“.

Optische Uhren können die Uhren der Zukunft werden. Ob Sonnenuhr, Sanduhr, Pendeluhr, Quarzuhr oder Cäsium-Atomuhr: Eine Uhr besteht immer aus zwei Komponenten, dem schwingenden „Pendel“ und einem Zähler, der dessen Schwingungen mitzählt. Gegenwärtig ist die 9 192 631 779. Schwingung der Cäsiumatome der Atomuhr die offizielle Definition der Länge einer Sekunde. Je schneller das Pendel schwingt, desto genauer geht die jeweilige Uhr. Ein Atom, das Licht einer bestimmten Frequenz aussendet, ist ein viel präziseres "optisches" Pendel.

Jedoch Licht schwingt so schnell, dass die Schwingungen mit herkömmlichen Methoden nicht gezählt werden können. Grünes Licht hat beispielsweise rund 600 Billionen Schwingungen pro Sekunde. Computer und Atomuhren, die zur Zählung genutzt werden müssten, arbeiten aber nur mit rund 0,01 Billionen Schwingungen pro Sekunde. Prof. Theodor Hänsch entwickelte eine Messmethode, mit der derart schnelle Schwingungen gemessen werden können: den Frequenzkamm. Hänsch erhielt dafür im Jahr 2005 zusammen mit John L. Hall von der University of Colorado und Roy Glauber, Harvard University den Nobelpreis für Physik.

Im Labor von Hänsch im Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching wird zur Erzeugung des optischen Frequenzkamms ein Titan:Saphir-Pulslaser mit konstanter Frequenz verwendet, dessen kurze Lichtpulse zwischen Umlenkspiegeln zirkulieren. Durch Überlagerung der Schwingungen lässt sich die Frequenz des Lichts mit einer bisher nicht gekannten Genauigkeit von 15 Stellen hinter dem Komma messen und bildet die Basis für die Optische Uhr. Der Frequenzkamm dient heute in zahlreichen Labors weltweit als Basis für optische Frequenzmessungen. Dieser Wert könnte für die Neudefinition der SI-Basiseinheit Sekunde dienen, wenn weitere Untersuchungen und internationale Vergleiche zeigen, dass diese Frequenzmessung genau genug ist. Die Wissenschaftler arbeiten noch an einer „winzigen“ Ungenauigkeit der Optischen Uhr: Hätte sie vom Ursprung des Universums vor 13.7 Milliarden Jahren an gemessen, würde sie heute um fünf Minuten falsch gehen.

Da Optische Atomuhren die Zeit in hunderttausendmal kleinere Intervalle teilen als herkömmliche Cäsiumuhren, erwartet man in Zukunft dramatische Steigerungen der Ganggenauigkeit. Weltweit besteht auch ein großes Interesse an genaueren Uhren, denn höchstgenaue Uhrenvergleiche ermöglichen zukünftig, ein weltweites Telekommunikationsnetz aufzubauen, verbesserte Gravitationspotentiale aufzustellen mit weitreichenden Auswirkungen für Geodäsie, Umweltüberwachung oder Prospektion von Bodenschätzen und die Frage nach der Konstanz der Naturkonstanten zu stellen.

Neudefinition des Kilogramms

In Zusammenhang mit diesen grundlegend neuen Forschungen und der nun zur Verfügung stehenden präzisen Zeitmessung hat sich auch die Frage nach einer Neudefinition des Kilogramms erhoben. Das 1889 aus einer Platin-Legierung hergestellte, heute in einem Tresor nahe Paris lagernde Urkilogramm verliert aus unerklärlichen Gründen kaum merklich, aber messbar an Gewicht. Unter Leitung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig wird ein Weg zur Schaffung eines neuen Standards gesucht, der auf einer hochgenauen Messung der Avogadrokonstanten beruht.

Diese Konstante gibt die Zahl von Atomen in einem Mol einer Substanz an und verbindet die mikroskopischen und makroskopischen Größen eines Siliziumkristalls miteinander. Dazu werden die modernsten Messmethoden zur Bestimmung der Dichte und der Anzahl der Atome einer Kugel eingesetzt, die zu 99,99 Prozent aus dem Silizium-Isotop-28 mit nahezu perfekter Kristallstruktur besteht. Der Durchmesser der Kugel beträgt 9,36 cm mit einer Radienabweichung von <30 nm. Bei den zahlreichen aufwendigen Messungen ist immer die korrekte Ausrichtung der Kugel innerhalb der verwendeten Messgeräte notwendig. Die Markierung ohne Masseverlust geschieht mit einem Femtosekundenlaser.

Ziel des Projektes ist, eine Messunsicherheit von 10-8 zu erreichen. Dieses Projekt hat eine Laufzeit von ca. 6 Jahren und wird gemeinsam von namhaften metrologischen Instituten getragen. Bei erfolgreichem Verlauf des Projektes könnte die dem Internationale Einheitensystem SI (Le Système International d'Unités) zugrundeliegende Maßverkörperung des Kilogramms auf eine wesentlich präzisere Definition der Masse zurückgeführt werden. Das SI wurde 1960 von der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) geschaffen. Das SI ist die heutige Form des metrischen Systems, wie es in der ganzen Welt verwendet wird. Zwei Wege zur hochpräzisen Neudefinition der Einheiten für die Zeit und der Masse wurden beschritten. Von ihrem Erfolg wird ein globaler Innovationsschub für fast alle Bereiche der menschlichen Gesellschaft erwartet.
Prof. Theodor Hänsch vor einem Versuchsaufbau
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft
Avogadro-Kugel aus dem Silizium-Isotop-28, Durchmesser 9.36 cm
Quelle: PTB