Was bringt es, immer genauere Atomuhren zu bauen?
Je kürzer die messbare Zeitspanne, desto genauer können bestimmte physikalische und chemische Prozesse gemessen werden. Einige können überhaupt erst mit sehr, sehr genauen Uhren gemessen werden.
Warum ist das so?
Nehmen wir an, wir hätten lediglich eine Uhr zur Verfügung, deren kleinste messbare Zeiteinheit die Sekunde ist. Nun wollen wir damit das Platzen eines Luftballons messen. Die Uhr wird an eine Kamera montiert, und pro Sekunde wird ein Foto geschossen. Damit soll dokumentiert werden, wie das Platzen vor sich geht.
Wir erhalten ganze zwei Fotos. Auf dem ersten ist der unbeschädigte Luftballon zu sehen, auf dem zweiten gar kein Luftballon.
Daraus schließen wir: Das Platzen eines Luftballons geschieht in ungefähr einer Sekunde und es geht so vor sich, dass der Luftballon sofort verschwindet. Das ist eine ziemlich unbefriedigende Beschreibung. Und es erschließt sich auch sofort, warum: Alles, was uns an dem Vorgang interessiert, geschieht innerhalb einer Sekunde (oder sogar einer noch kürzeren Zeitspanne). Aber wir können nur von einer Sekunde zur nächsten messen. Was dazwischen passiert (also nach einer halben, einer Viertel-, einer Achtelsekunde usw.) existiert für uns nicht. Das zeitliche Auflösungsvermögen ist schlichtweg nicht gegeben.
In der Natur gibt es Vorgänge, die nur in sehr kurzen Zeitspannen ablaufen. Beispielsweise das Durchzünden eines Gases durch einen Funken. Oder einen Blitz. Oder die Umdrehung eines Neutronensterns. Wollen wir diese Vorgänge genauer untersuchen, benötigen wir ein zeitliches Auflösungsvermögen, das uns erlaubt, Entwicklungen zu dokumentieren, die innerhalb dieser kurzen Zeitspannen passieren.
Auch die experimentelle Überprüfung wissenschaftlicher Hypothesen kann sehr genaue Uhren erforderlich machen. Beispielsweise wurden 1971 die Vorhersagen der allgemeinen und speziellen Relativitätstheorie im Hafele-Keating-Experiment überprüft, indem die damals genauesten Atomuhren (Cäsium-Atomuhren) in einem Flugzeug zweimal rund um die Erde geflogen wurden, einmal ostwärts, einmal westwärts. Gemäß der Theorien mussten die Uhren anschließend eine geringfügig andere Zeit anzeigen als auf der Erde verbliebene Cäsium-Atomuhren. Da es sich bei diesem Unterschied aber lediglich um Nanosekunden handelte (weil die Effekt der ART und SRT in diesem Rahmen nur minimal sein können), mussten Uhren mit hoher Genauigkeit und hoher Auflösung genutzt werden. Mit normalen Quarzuhren wäre der Effekt nicht messbar gewesen, da man nicht hätte entscheiden können, ob es sich um die normale Gangungenauigkeit der Quarzuhren handelt oder um eine tatsächliche Abweichung.
Das Navigationssystem GPS funktioniert ebenfalls nur deshalb so gut, weil die Atomuhren in den Satelliten so genau sind und die minimalen Abweichungen aufgrund der Allgemeinen Relativitätstheorie regelmäßig ausgeglichen werden. Würde man das nicht tun, wäre das GPS innerhalb weniger Tage so ungenau, dass es kilometerweite Abweichungen bei der Navigation produzieren würde.
So gibt es in vielen Bereichen, in denen hohe Präzision gefragt ist, den Bedarf für sehr genaue, hochauflösende Uhren.