Von Barnabas Thwaites

Wundern Sie sich nicht, wenn Sie demnächst in einem Kreuzworträtsel „Gefangnis für geladene Atome“ lesen Die Auflosung hat zehn Buchstaben und lautet Ionenfalle. Für die „Entwicklung der Ionenkafigtechnik“ wurden in der vergangenen Woche der Bonner Physiker Wolf gang Paul sowie der aus Görlitz stammende US-Amerikaner Hans G. Dehmelt mit dem Nobelpreis geehrt Ein einzelnes Ion laßt sich mit ihrer Falle festhalten und sehr genau untersuchen – als befände es sich unter einem Mikroskop So kann man zum Beispiel das geladene Atom immer wieder mit Licht anregen und dazu bringen, elektromagnetische Wellen von exakt der gleichen Farbe (Wellenlange beziehungsweise Frequenz) auszustrahlen.

Ebenfalls um die exakte Wellenlänge solcher Fluoreszenzstrahlung geht es bei der „Methode voneinander getrennter oszillierender Felder“ Deren Schopfer, der Harvard-Professor Norman F Ramsey, ist der Dritte im Bunde der diesjährigen Nobelpreisträger Er erhalt sogar die Hälfte von den rund 860 000 Mark Preisgeld. Seine Erfindung ist die Grundlage der modernen Zeitmessung

Ramsey ließ durch zwei getrennte elektromagnetische Felder Atome fliegen, und zwar so, daß sie in einer Rückkopplung die Frequenz, mit der diese beiden Felder schwingen, zu steuern vermögen Der Versuchsaufbau hat zur Folge, daß die Atome von den oszillierenden Feldern nur dann zur Strahlung angeregt werden, wenn die Feldfrequenz und die Strahlungsfrequenz der Atome exakt übereinstimmen. Die Rückkopplung ist optimal, wenn die Frequenz der schwingenden Felder so eingestellt ist, daß sie möglichst viel Fluoreszenzstrahlung erzeugen. So wird der Takt der Schwingung durch eine Naturkonstante geeicht.

Bei den heute gebräuchlichen Atomuhren ist diese Naturkonstante festgelegt durch den Abstand zwischen zwei Energieniveaus im Casiumatom Dem entspricht eine präzise Frequenz der ausgesandten Strahlung Seit 1965 ist eine Sekunde beim internationalen Büro für Gewichte und Maße in Paris durch 9 192 631 770 Schwingungen der Casiumstrahlung definiert. Eine dieser genauesten Uhren der Welt steht bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.

Ramsey entwickelte seine Methode der getrennten schwingenden Felder – ebenso wie Wolfgang Paul die Ionenfalle – Ende der vierziger Jahre. 1960 machte Ramsey mit zwei Kollegen eine Erfindung, die einer noch präziseren Zeitmessung dient, allerdings jeweils nur für wenige Stunden. Der Wasserstoffmaser ist für kurze Zeiträume noch exakter als die Casiumuhr. Ein Maser funktioniert wie ein Laser, aber er sendet nicht Licht, sondern Mikrowellen aus. Der Takt dieser Mikrowellen-Schwingung ist ebenfalls eine Naturkonstante. Mit ihrer Hilfe kann man eine Uhr bauen, die in einer Stunde nur einige Billionstel Sekunden verkehrt geht. Dies ist keineswegs nur eine Spielerei, sondern für physikalische Hochprazisionsmessungen von großer Bedeutung.

Vermutlich laßt sich die Zeit künftig noch genauer mit der Ionenfalle messen. An einer solchen „Uhr“ arbeiten zur Zeit Hamburger Physiker um Peter Toschek, der zusammen mit Hans Dehmelt geforscht hat. Die fliegenden Atome in der Casiumuhr werden dabei gewissermaßen durch ein einzelnes Ion ersetzt, das möglichst bewegungslos im Zentrum der Falle steht und dadurch eine noch exaktere Strahlungsfrequenz besitzt.