Wie funktionieren Atomuhren?

Atomuhren sind die genauesten Uhren, die wir haben. Sie kommen in zehn Milliarden Jahren um weniger als eine Sekunde davon. Aber wie arbeiten sie?

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Eine Atomuhr beruht auf den Prinzipien der Quantenphysik. Nach diesen Prinzipien können Atome nur in bestimmten Energiezuständen existieren. Jeder dieser Zustände hat eine bestimmte Energie, so dass ein Übergang zwischen zwei Zuständen immer die gleiche Menge an Energie freisetzt oder absorbiert.

Wenn sich ein Atom von einem zum anderen dieser Zustände bewegt, emittiert oder absorbiert es elektromagnetische Strahlung. Licht ist ein Beispiel für elektromagnetische Strahlung, Radiowellen sind ein anderes. Die emittierte elektromagnetische Strahlung hat eine bestimmte Energie, also eine entsprechende Frequenz. Bei den oft in Atomuhren verwendeten Cäsiumatomen beträgt diese Frequenz 9.192.631.770 Mal pro Sekunde.

Wir haben also eine elektromagnetische Strahlungsquelle, die bei einer bekannten Frequenz schwingt. Der nächste Schritt besteht darin, die Oszillationen mit intelligenten Methoden zu zählen, in die ich hier nicht eintauchen kann, und die Uhr jedes Mal um eine Sekunde vorzustellen, wenn der Zähler 9.192.631.770 erreicht.