Der Quantensprung oder: Was ist Zeit?

27. März 2025, 13:00

Es wird an der Uhr gedreht; am Sonntag ist Zeitumstellung. Doch was ist Zeit eigentlich? Wie präzise ist ihre Messung und warum arbeiten Forscher seit Jahrzehnten an einer Hochpräzisionsuhr, die mit zwei Millionen Milliarden Schwingungen pro Sekunde tickt?

Getrieben von dem Versprechen großartiger Anwendungen haben Physiker weltweit seit den 1970er Jahren nach dem Taktgeber einer solchen Uhr gesucht; die Lösung hielt man theoretisch für greifbar, praktisch aber für nahezu unmöglich. An der TU Wien gelang vor Kurzem der wissenschaftliche Durchbruch - und er wirft fundamentale und faszinierende Fragen auf.

Die Forschungsergebnisse von Thorsten Schumm, seinem Team und den internationalen Kolleg:innen konnte man erst vor wenigen Tagen wieder in einer angesehenen Fachpublikation lesen, Thorium-229 ist das Stichwort. Seit Dekaden sind Atomuhren das Maß der Zeitmessung: Satelliten-Navigation ist ohne sie nicht möglich, sie sind in der Grundlagenforschung unverzichtbar und ein Beispiel dafür, wie Quantentechnologie unseren Alltag prägt. Doch seit über 50 Jahren wird auf eine noch präzisere Zeitmessung hingearbeitet, die Atomkernuhr, deren Schlüssel und "Unruhe" ein Atomkern des Thorium-229 Isotops ist und sein ganz besonderer Kernzustand.

An der TU Wien wurden über viele Jahre spezielle Thorium-Kristalle entwickelt; sie können weltweit bisher nur dort hergestellt werden. 2023 konnten die Forscher mit einem Laserstrahl erstmals den lange gesuchten Thorium-Übergang gezielt anregen und den Atomkern vom Zustand seiner geringsten Energie auf das nächste Level heben. Im September 2024 verkündete die TU Wien dann gemeinsam mit ihren internationalen Partnern den großen Durchbruch: den Bau der ersten Atomkernuhr der Welt - ein wissenschaftlicher Höhepunkt des Jahres.

Doch wozu will man die Präzision der Zeitmessung verbessern? Was man daraus vielleicht bauen kann, ist eine Frage, die den vielfach ausgezeichneten Quantenphysiker Thorsten Schumm bei seinen Forschungen stets begleitet und die Atomkernuhr verspricht revolutionäre Antworten: So ließe sich messen, ob die Naturkonstanten, die Fundamente der Physik, wirklich konstant sind oder sich doch räumlich oder zeitlich verändern. Man könnte das Gravitationsfeld der Erde ebenso wie dunkle Materie untersuchen und tiefer als je zuvor in Atomkerne und die Prozesse in ihrem Innern "hineinschauen". Als Leiter der Arbeitsgruppe Quantenmetrologie am Atominstitut in Wien arbeitet Thorsten Schumm konkret an raumfahrttauglichen Messinstrumenten für die Erdbeobachtung, die Navigation und die Grundlagenforschung.

Doch die Atomkernuhr wirft auch andere Fragen auf: "Der aktuelle Wissensstand der Menschheit ließ sich auch in der Vergangenheit stets daran erkennen, wie die Zeit gemessen wurde", sagt Thorsten Schumm, den die Frage nach der Definition der Zeit nicht nur beruflich umtreibt. Warum nehmen wir Zeit so wahr, in ihrem Verfließen, obwohl wir sie andererseits wie jede andere physikalische Größe erfassen können, fragt der Physiker und ergänzt: "Man kann Quantenmechanik nicht ernsthaft betreiben, ohne immerhin ein paar philosophische Fragestellungen zu bearbeiten."

Wenige Tage vor der Zeitumstellung macht sich Thorsten Schumm, Leiter des internationalen Projekts "Thorium-Nuclear-Clock", darüber im Gespräch mit Barbara Zeithammer und den Hörerinnen und Hörern Gedanken, skizziert die abenteuerliche Forschung der "Quantenphysik mit Kernen", die fundamentalen Fragen, die sie aufwirft und spricht über wissenschaftliche Freiheit am Umbruch in eine neue politische Zeit.

Was denken Sie über die Zeit? Ist Ihnen eine präzise Zeitmessung wichtig? Und was möchten Sie über diesen Teil der Quantenforschung wissen, dessen Anwendungen sich von der Geologie über die Astrophysik bis zur Grundlagenforschung und der technologischen Zukunft der Quantenkommunikation ziehen?

Rufen Sie an und nehmen Sie Teil an der Sendung unter 0800 22 69 79 kostenfrei aus ganz Österreich live während der Sendung oder per E-Mail an punkteins(at)orf.at

Diese Sendung ist Teil einer losen Reihe, in der wir historische wie gegenwärtige Quantenforschung aus Österreich vor den Vorhang holen, zum 100-Jahr-Jubiläum fundamentaler Erkenntnisse zur Quantenphysik, das die UNESCO zum Anlass nahm, für 2025 das Internationale Jahr der Quantenforschung und -technologie auszurufen.

Service

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Projekt Thorium Clock

Sendereihe

• Punkt eins

Gestaltung

• Barbara Zeithammer