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5. Oktober 2005

Mit Laser-Trick zu genauesten Uhren

Physik-Nobelpreis an Hänsch und zwei US-Forscher – Gebürtiger Heidelberger und Student der Ruperto Carola

Die genauesten Uhren der Welt sollen künftig nach einer Münchner Technik ticken: Forscher um Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik, der 1941 in Heidelberg geboren wurde, haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die ultraschnellen Schwingungen von Lichtwellen zählen lassen. Der elegante Laser-Trick löst ein Jahrzehnte altes Problem der Physik und soll Atomuhren bis zu tausend Mal genauer gehen lassen als bislang. Das ist unter anderem für Nachrichtentechnik und Satellitennavigation von großer Bedeutung.

Wie Prof. Dirk Dubbers vom Physikalischen Institut der Universität Heidelberg mitteilte, besuchte Hänsch von 1952 bis 1961 das hiesige Helmholtz-Gymnasium, wo er bereits den Scheffelpreis gewann. Anschließend studierte er in Heidelberg bis zur Promotion (summa cum laude) im Jahr 1969. Nach einem Assistentenjahr wechselte er 1970 nach Stanford/USA, wo er gleich für Furore sorgte und 1973 zum "Californian Scientist of the Year" gewählt wurde. 1986 holte man ihn dann mit einem attraktiven Angebot gezielt nach Deutschland an das Münchner Max-Planck-Institut zurück. Prof. Dubbers erinnert sich an Hänsch als einen "begeisterten Wissenschaftler", eine "Hochbegabung" und einen "frühen Überflieger".

Für die Max-Planck-Gesellschaft freut sich auch Prof. Joachim Ullrich, Mitglied des Direktoriums des Heidelberger MPI für Kernphysik. Ullrich wies darauf hin, dass an seinem Institut in dem neuen Bereich "Dynamik in Atomen und Molekülen" mit Lasern gearbeitet wird und Hänschs Methoden zur Anwendung kommen.

Unabhängig von Hänsch arbeitete auch der US-Physiker John Hall (Universität von Colorado) an der Laser-Technik. Für ihre Leistungen teilen sich beide Forscher die eine Hälfte des Physik-Nobelpreises 2005. Die andere Hälfte geht an Roy Glauber von der Harvard-Universität (USA), der das theoretische Fundament für diese Entwicklungen gelegt hat.

"Hänsch und Hall zeichnet beide aus, dass sie ,Spielkinder' sind", sagt der deutsche Quantenphysiker Wolfgang Ertmer von der Universität Hannover, der mit Hall nächtelang im Labor gestanden hat. "Sie sind exzellente Experimentatoren, die begeistert an allen Reglern drehen, bis sie einen Effekt herauspräpariert haben." Der "humorvolle Vollblut-Theoretiker" Glauber habe die theoretischen Grundlagen für diesen Zweig der so genannten Quantenoptik gelegt. "Wenn man heute ein Lehrbuch aufschlägt und wissen will, was Quantenoptik ist, kommt man an Glauber nicht vorbei", betont Ertmer.

Roy Glauber war der Pionier

"Glauber war der Pionier und Türöffner", urteilt Nobel-Juror Börje Johansson. "Er hat als erster begriffen, dass wir auch für das Licht eine komplette quantenmechanische Beschreibung brauchen. Hall und Hänsch haben das dann konsequent weitergeführt." Seit langem suchen Forscher nach Wegen, die hohen Frequenzen, also die Schwingungen, von Lichtwellen direkt zu zählen. Dabei ist die Elektronik schnell überfordert, weil Lichtwellen mehrere hunderttausend Milliarden Mal pro Sekunde schwingen. Hänsch und Hall brachten deshalb Laser dazu, einen Teil der Abzählarbeit zu übernehmen. Diese Laser warten jeweils exakt eine einstellbare Zahl von Schwingungen der zu messenden Lichtwelle ab und senden dann einen kurzen Blitz aus.

Aus der Zahl der Blitze errechnen die Forscher dann die genaue Zahl der Schwingungen der ursprünglichen Lichtwelle. "Das müssen Sie sich vorstellen wie ein Getriebe, bei dem sich ein kleines Zahnrad unglaublich schnell dreht und ein großes langsam genug, dass man seine Umdrehungen zählen kann", erläutert Ertmer. An der Messung von Frequenzen sind Physiker deshalb so stark interessiert, weil sie besonders genau ist. Die Technik der Preisträger kann unter anderem zur Überprüfung einer der präzisesten Theorien der Physik dienen, der so genannten Quantenelektrodynamik.

Eine Sekunde in 30 Milliarden Jahren

Darüber hinaus ist eine ganze Reihe Anwendungen in greifbare Nähe gerückt. So erlaubt die Münchner Technik den Bau "optischer Uhrwerke", die das Licht von Atomen als eine Art Pendel verwenden – so ein Präzisionszeitmesser würde erst nach 30 Milliarden Jahren um eine Sekunde abweichen. Aber die langfristige Zeitmessung ist nicht das Ziel dieser Entwicklungen. Eine bedeutende Rolle könnten die optischen Uhrwerke in der Kommunikationstechnik spielen, wo sie mit ihrem schnellen Takt in künftigen Glasfasernetzen für Ordnung im Datenverkehr sorgen sollen.

Weltweit werden entsprechende Uhren auf Basis der Technik der diesjährigen Nobelpreisträger gebaut, auch an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. "In vielleicht fünf bis zehn Jahren könnten damit die bisherigen Cäsium-Atomuhren abgelöst werden", sagt der PTB-Experte Ekkehard Peik. "Mit Hilfe solcher Uhren kann man zum Beispiel bessere Satellitennavigationssysteme implementieren", erläutert Hänsch. Von der höheren Genauigkeit kann dann auch der Normalbürger profitieren, zum Beispiel bei Navigationssystemen im Auto.

Till Mundzeck und Heribert Vogt



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