Zwei Kernuhren aus Wien und Peking, noch nicht besser als Atomuhren

Die ersten beiden funktionierenden Kernuhren kamen gleichzeitig, von Teams, die sich nicht abgestimmt hatten, und keine schlägt die beste Atomuhr. Wichtiger ist die Unabhängigkeit der beiden Ergebnisse, denn sie legt nahe, dass der Ansatz nicht vom besonderen Aufbau eines einzelnen Labors abhängt.

Zwei Teams, zwei Städte, ein Ergebnis #

Die Kernaussage ist einfach. Getrennt arbeitende Forschungsteams in Wien und Peking haben die ersten beiden funktionierenden Kernuhren der Welt entwickelt. Ein Team wird von Thorsten Schumm von der TU Wien geleitet, das andere von Shiqian Ding von der Tsinghua-Universität. Beide haben ihre Arbeit in einem Fachartikel in der Zeitschrift Nature beschrieben.

Viele Ankündigungen in der Physik folgen einem vertrauten Muster: Ein Labor beansprucht eine Premiere, und alle anderen warten darauf, dass jemand sie reproduziert. Diese hier kam mit einer bereits halb beantworteten Frage nach der Reproduzierbarkeit. Ding sagte, die beiden Teams hätten unabhängig voneinander gearbeitet und zur selben Zeit funktionierende Thorium-229-Kernuhren erreicht, mit unterschiedlichen experimentellen Ansätzen. Dieser Satz wiegt schwerer, als es zunächst scheint. Eine einzelne Gruppe kann ein Gerät bauen, das wegen einer Eigenheit ihres eigenen Versuchsaufbaus, ihrer eigenen Kristallcharge oder ihres eigenen Lasers funktioniert. Zwei Gruppen in zwei Städten, die auf unterschiedlichen Wegen zur selben Art von Gerät gelangen, schließen die Erklärung durch eine Eigenheit weit besser aus, als es ein einzelner Artikel könnte.

Ding hat denselben Punkt selbst gemacht. Er sagte, er halte die unabhängigen Ergebnisse für ermutigend, weil sie zeigten, dass das Konzept robust sei und nicht von einer bestimmten technischen Umsetzung abhänge. Das ist seine Lesart, und man sollte sie als Urteil behandeln, nicht als gemessene Größe. Aber sie ist vernünftig. Wenn sich zwei Umsetzungen unterscheiden und beide funktionieren, wirkt die zugrunde liegende Idee weniger wie ein Zufallstreffer.

Schumms Teil der Geschichte handelt von Geduld. Er sagte, sein Team arbeite seit 2008 auf eine Kernuhr hin. Das nun vorgeführte Gerät ist nicht das Ergebnis einer plötzlichen Eingebung, sondern der Abschluss einer langen Strecke von Arbeit auf ein einziges Ziel hin.

Was eine Uhr eigentlich tut, und was hier anders ist #

Atomuhren sind hochgenaue Zeitmessgeräte, die erstmals 1949 gebaut wurden. Sie funktionieren, indem Laser oder Mikrowellen subatomare Teilchen, die Elektronen, zwischen zwei Energieniveaus in der Hülle eines Atoms hin- und herspringen lassen. Verwendet werden Elemente wie Cäsium oder Strontium. Die regelmäßige, wiederholbare Natur dieses Sprungs gibt der Uhr ihren Takt.

Die Leistung dieses Ansatzes ist bereits außergewöhnlich. Die besten herkömmlichen Atomuhren können Milliarden von Jahren laufen und dabei nur eine Sekunde verlieren oder gewinnen. Jede neue Uhrenkonstruktion muss sich an dieser Zahl messen lassen, und die Latte liegt hoch.

Dimension	Herkömmliche Atomuhren	Thorium-229-Kernuhren
Physikalischer Mechanismus	Übergänge in der Elektronenhülle (Cäsium/Strontium)	Übergänge von Protonen/Neutronen im Thorium-229-Kern
Abfragemedium	Mikrowellen oder optische Laser an Valenzelektronen	Vakuum-Ultraviolett-Laser an in Kristall eingebetteten Kernen
Trägermaterial	Gaszellen oder lasergekühlte optische Gitterfallen	Feste Calciumfluorid-Kristalle ($CaF_2$)
Aktuelle Leistung	Milliarden Jahre, um $\le 1$ Sekunde zu gewinnen/verlieren	Präzision einer Atomuhr bei der Suche nach Dunkler Materie erreicht
Angestrebte Stabilität	Etablierter internationaler Standard ($10^{-18}$)	Prognostizierte Verbesserung der Stabilität um eine Größenordnung
Bauform der Hardware	Große, empfindliche Vakuumapparatur im Labor	Potenzial für kompakte, robuste Feldgeräte in Festkörperbauweise

Die neuen Uhren verlagern den Ort des Sprungs. Statt der Elektronen in der Hülle nutzen sie Laser, um Protonen und Neutronen zwischen Energieniveaus im Kern eines Atoms springen zu lassen, in diesem Fall Thorium-229. Die Zeit wird in einer Kernuhr berechnet, indem man beobachtet, wie ein Hochleistungslaser mit dem Kern eines Atoms wechselwirkt.

Die Begründung dafür, das Geschehen nach innen zu verlegen, wird als Möglichkeit formuliert, nicht als Ergebnis. Übergänge im Kern zu verfolgen, könnte eine höhere Genauigkeit erreichen als die Verfolgung von Elektronen, weil ein Atomkern viel kleiner ist als die Hülle, die ihn umgibt. Die Einschränkung zählt. Behauptet wird, dass das kleinere Ziel eine bessere Genauigkeit ermöglichen könnte, und nichts in den bisherigen Belegen sagt, dass es dies getan hat.

Das gemeinsame Rezept: Thorium-229 in Calciumfluorid #

Beide Kernuhren beruhen auf dem Isotop Thorium-229, eingeschlossen in festen Calciumfluorid-Kristallen. Die Teams in Wien und Peking beschreiben ihre Geräte so, dass Laser Thorium-229-Kerne abfragen, die in diese Kristalle eingebettet sind.

Es lohnt sich, genau zu sein, was gemeinsam ist und was nicht. Das Isotop und das Trägermaterial sind beiden gemeinsam. Die experimentellen Ansätze sind es nicht. Dings Aussage, die Teams hätten unterschiedliche experimentelle Ansätze verfolgt, zusammen mit Schumms späterem Vergleich der beiden Systeme, verrät uns, wo die Unterschiede liegen, zumindest teilweise: in der Qualität der Kristalle und der Stärke des Lasers.

Dieser Vergleich ist eines der nützlichsten Details der ganzen Geschichte. Laut Schumm hat die Wiener Uhr etwas bessere Thoriumkristalle, mit höherer Konzentration und besseren optischen Eigenschaften, während das Pekinger Team einen stärkeren Laser hat. Jedes Team hat eine Stärke aufgebaut, die dem anderen fehlt. Selten teilt eine erste Generation konkurrierender Geräte die Arbeit so sauber auf, und das liefert dem Fachgebiet ein naheliegendes nächstes Experiment.

Die ehrliche Bilanz: noch nicht besser als Atomuhren #

Wer wegen eines Rekordwerts bei der Genauigkeit gekommen ist, findet keinen. Die Teams sagen, Kernuhren könnten die besten herkömmlichen Atomuhren übertreffen, tun dies aber noch nicht. Anders gesagt: Kernuhren übertreffen die Genauigkeit von Atomuhren noch nicht.

Schumm war offen, was die noch zurückzulegende Strecke betrifft. Er sagte, die Kernuhr sei noch weit von ihrer Zielleistung entfernt, und die Forschenden wollten die Technik vervollkommnen. Genau hier sollte man der Übertreibung widerstehen. Ein Gerät, das existiert und funktioniert, ist etwas anderes als ein Gerät, das gewinnt. Die Leistung besteht darin, dass es eine funktionierende Kernuhr nun gleich zweimal gibt. Die Behauptung, eine solche Uhr werde die besten Atomuhren übertreffen, bleibt ein Potenzial, kein Ergebnis.

Ich würde sagen, dass diese Einordnung die Geschichte interessanter macht, nicht langweiliger. Ankündigungen, die mit einem fertigen Vorsprung kommen, lassen sich leicht abheften. Eine Ankündigung, die sagt „es funktioniert, es ist noch nicht besser, und hier ist der Grund, warum wir glauben, dass es das werden könnte“, lädt zu einer nützlicheren Frage ein: Was genau steht zwischen den heutigen Geräten und dem Ziel?

Beide Teams sehen klare Wege zur Verbesserung, und Schumm nannte einen konkreten.

Das Beste aus Wien und Peking vereinen #

Schumm sagte, wenn man die Wiener und die Pekinger Komponenten zusammenbringe, ließe sich eine deutlich bessere Uhr bauen. Seine vollständige Bemerkung lautete: „Schon wenn wir diese Komponenten zusammenbringen, können wir eine deutlich bessere Uhr bauen.“ Die Aussage ist insofern vorsichtig, als sie beschreibt, was gebaut werden könnte, nicht etwas, das gebaut und gemessen wurde.

Die Logik lässt sich aus den Angaben leicht nachvollziehen. Die Wiener Kristalle sind etwas besser, mit höherer Thoriumkonzentration und besseren optischen Eigenschaften. Der Pekinger Laser ist stärker. Eine Uhr, die beobachtet, wie ein Hochleistungslaser mit dem Kern eines Atoms wechselwirkt, würde plausiblerweise sowohl von einem besseren Ziel als auch von einem besseren Laser profitieren. Ich kennzeichne das als meine Lesart von Schumms Aussage, nicht als zusätzlichen Befund: Seine eigenen Worte sind, dass die Kombination der Komponenten eine deutlich bessere Uhr ergeben könnte, und keine Leistungszahl begleitet sie.

Darin steckt eine praktische Lehre für alle, die in einem jungen technischen Feld bauen. Parallele Entwicklung durch getrennte Gruppen kann wie verschwenderische Doppelarbeit aussehen. Hier hat sie zwei Sätze sich ergänzender Stärken hervorgebracht und ein fertiges Rezept für ein stärkeres drittes Gerät. Ob die beiden Teams tatsächlich an einer solchen Uhr zusammenarbeiten werden, sagen die verfügbaren Belege nicht, also werde ich es nicht nahelegen. Die offene Frage ist schlicht, ob die Kombination die Verbesserung bringt, die Schumm erwartet.

Ein erster Test: die Suche nach Dunkler Materie #

Eine Uhr, die bloß tickt, ist ein Machbarkeitsnachweis. Eine Uhr, die Physik betreibt, ist mehr. Das Wiener Team hat gezeigt, dass seine Uhr ein Präzisionsexperiment der Physik durchführen kann, als es versuchte, Dunkle Materie nachzuweisen.

Das Experiment hat keine Dunkle Materie nachgewiesen. Das muss man klar sagen, denn eine Suche nach Dunkler Materie, die nichts findet, kann mit einem Fehlschlag verwechselt werden. Das Ergebnis, auf das es hier ankommt, betrifft das Instrument, nicht das Teilchen: Die Kernuhr arbeitete auf dem Niveau der besten Atomuhren.

Lesen Sie das genau, denn es steht direkt neben der oben beschriebenen Einschränkung. Kernuhren übertreffen die Genauigkeit von Atomuhren noch nicht, und doch hat die Wiener Uhr in einem Präzisionsexperiment mit den besten Atomuhren gleichgezogen. Diese beiden Aussagen widersprechen sich nicht. Mit dem Besten gleichzuziehen heißt nicht, es zu schlagen, und dass das erste funktionierende Gerät dieses Niveau erreicht, ist eine bedeutsame frühe Wegmarke. Es zeigt, dass die Uhr bereits gut genug ist, um als wissenschaftliches Instrument eingesetzt zu werden, und nicht bloß als Kuriosität vorgeführt.

Ich würde weiter gehen und sagen, dass dies der überzeugendste einzelne Beleg der ganzen Geschichte ist. Die Behauptung, etwas habe Potenzial, kostet wenig. Der Nachweis, dass schon die allererste funktionierende Version ein Präzisionsexperiment auf dem Niveau der besten vorhandenen Instrumente durchführen kann, kostet viel.

Warum die Physik den Kern begünstigen könnte, und warum Vorsicht geboten ist #

Das Argument für Kernuhren beruht auf der Größe. Ein Atomkern ist viel kleiner als die Hülle, die ihn umgibt, und Übergänge in ihm zu verfolgen, könnte eine höhere Genauigkeit erreichen als die Verfolgung von Elektronen. Das ist der genannte Mechanismus, und er kommt mit einem „könnte“.

Die weitergehende Erwartung der Forschenden folgt demselben Muster. Sie glauben, dass Kernuhren, einmal vervollkommnet, die Aufgabe sogar besser erledigen könnten als herkömmliche Atomuhren, und weniger sperrig und empfindlich gebaut werden können. In diesem Satz stecken zwei getrennte Hoffnungen: bessere Leistung und eine weniger sperrige, weniger empfindliche Bauweise. Beide setzen voraus, dass die Uhren zuerst vervollkommnet werden, und beide sind mit einem „könnten“ versehen.

Für Leserinnen und Leser, die Technologiewetten abwägen, besteht die Disziplin darin, die Einschränkungen nicht abzutrennen. Was nachgewiesen ist: zwei funktionierende Uhren, ein Experiment zur Dunklen Materie auf dem Niveau der besten Atomuhren. Was erhofft wird: höhere Genauigkeit, kleinere und robustere Hardware. Die Lücke zwischen diesen Listen ist die Arbeit, die die Teams noch vor sich haben.

Wo Kernuhren eingesetzt werden könnten #

Schumm sagte, er sehe Einsatzmöglichkeiten für Kernuhren in Bereichen wie der satellitengestützten Navigation, der Synchronisation von Datenübertragungen, der Vermessung und der Metrologie. Allgemeiner könnten Kernuhren bei der Navigation, der Datensynchronisation, der Suche nach Dunkler Materie und der Prüfung helfen, ob Naturkonstanten über Raum und Zeit variieren.

Das sind Möglichkeiten, und die Formulierung der Quelle belässt es dabei: Schumm sieht sie vor, und die Uhren könnten helfen. Keine davon wurde mit einer Kernuhr nachgewiesen. Die einzige Anwendung der Liste, die versucht wurde, ist die Suche nach Dunkler Materie, und sie ergab keinen Nachweis, zeigte aber die Leistung der Uhr.

Die Bandbreite ist trotzdem bemerkenswert. Navigation, Datenübertragung und Vermessung sind praktische, infrastrukturnahe Anwendungen. Dunkle Materie und die Frage, ob Naturkonstanten über Raum und Zeit variieren, sind Fragen nach der Struktur der Physik selbst. Dass eine einzige Instrumentenklasse für beides vorgeschlagen wird, ist eine ungewöhnliche Spannweite. Müsste ich die Anwendung wählen, die einem Nachweis am nächsten ist, wäre es die präzisionsphysikalische, denn dort hat das Wiener Team bereits ein Experiment durchgeführt.

Was Gründer und technische Leser daraus mitnehmen sollten #

Technische Leserinnen und Leser wollen meist eine Lehre für die Ingenieurspraxis, und es gibt eine klare in der Art, wie dieses Ergebnis zustande kam.

Erstens ist unabhängige Konvergenz ein stärkeres Signal als ein einzelner Erfolg. Zwei Teams, die getrennt arbeiten und zur selben Zeit mit unterschiedlichen Ansätzen funktionierende Geräte erreichen, liefern die Art von Beleg, die zeigt, dass eine Richtung real ist. Dings Lesart, dass das Konzept nicht von einer bestimmten technischen Umsetzung abhängt, ist der Kern davon.

Zweitens wird die Einschränkung von vornherein genannt, und zwar von denen, die die Geräte gebaut haben. Die Teams sagen, Kernuhren könnten die besten herkömmlichen Atomuhren übertreffen, tun dies aber noch nicht. Schumm sagte, seine eigene Uhr sei weit von ihrer Zielleistung entfernt. Wer eine junge Technologie bewertet, sollte diese Offenheit der Erbauer höher schätzen als eine glänzende Genauigkeitsbehauptung, weil sie zeigt, wo die eigentliche Arbeit noch liegt.

Drittens ist der Verbesserungsweg konkret. Die Wiener Kristalle und der Pekinger Laser sind bestimmte, benennbare Komponenten, und Schumms Vorschlag ist ebenso konkret. Das unterscheidet sich stark von einem vagen Versprechen, dass „weitere Entwicklung“ helfen werde. Ein Fahrplan aus identifizierten Teilen lässt sich leichter testen, und leichter sichtbar scheitern, als einer aus Wunschdenken.

Ich würde sagen, dass die kommerzielle Lesart daraus folgt, mit einem Vorbehalt. Die Anwendungen in der Quelle sind Navigation, Datensynchronisation, Vermessung und Metrologie, allesamt Vorschläge. Die Belege stützen eine Technologie im Forschungsstadium mit identifizierten Verbesserungsschritten, kein Produkt. Wer darauf aufbaut, sollte die weniger sperrige und weniger empfindliche Bauweise als Ziel behandeln, das die Forschenden nach der Vervollkommnung der Uhren für erreichbar halten, und nicht als etwas bereits Gezeigtes.

Worauf man als Nächstes achten sollte #

Die Fragen, die die Belege aufwerfen, sind eng gefasst und überprüfbar.

Wird eine Uhr gebaut, die Kristalle Wiener Qualität mit einem Laser Pekinger Stärke verbindet, und liefert sie die deutlich bessere Leistung, die Schumm erwartet? Die Quelle sagt, dass es möglich wäre. Sie sagt nicht, dass es geschehen ist.

Überschreitet irgendeine Kernuhr die Linie vom Arbeiten auf dem Niveau der besten Atomuhren zu deren Übertreffen? Die Teams beschreiben das als Potenzial, nicht als Ergebnis, und beide sehen klare Wege zur Verbesserung. Der Maßstab ist klar: Die besten herkömmlichen Atomuhren können Milliarden von Jahren laufen und dabei nur eine Sekunde verlieren oder gewinnen, also muss eine Kernuhr, die die Führung beansprucht, dies an diesem Standard zeigen.

Und hält das Versprechen einer weniger sperrigen, weniger empfindlichen Bauweise, wenn die Geräte vervollkommnet sind? Das ist eine Hoffnung der Forschenden, keine Messung.

Eine weitere Frage lässt die Quelle offen, und auf sie hätte ich am liebsten eine Antwort. Das Wiener Experiment zur Dunklen Materie hat nichts gefunden, doch die Uhr hat bei dieser Suche mit den besten Atomuhren gleichgezogen. Wenn eine vervollkommnete Kernuhr das wirklich übertreffen kann, wird dieselbe Art von Experiment der erste Ort, an dem sich der Unterschied zeigen würde. Ob er sich zeigt, ist vorerst die offene Frage, auf die es am meisten ankommt.

Was das für die einzelnen Sektoren bedeutet #

Die Ankunft funktionierender Thorium-229-Kernuhren betrifft nicht alle Bereiche der Präzisionszeitmessung gleichermaßen. Die operative Antwort hängt davon ab, ob der Bedarf in der terrestrischen Primärmetrologie, der autonomen Navigation im Orbit oder der grundlegenden Laborspektroskopie liegt.

Metrologie und Zeitnormale #

Primäre Zeitlabore werden Strontium-Gitter- oder Cäsium-Normale nicht über Nacht ersetzen. Kernuhren schaffen einen parallelen Kalibrierungsmaßstab, dessen Umgebungsempfindlichkeiten (Streufelder elektrischer und magnetischer Art) sich grundlegend von denen der Elektronenhüllen-Uhren unterscheiden, was erstmals einen Abgleich systematischer Fehler zwischen internationalen Metrologieinstituten ermöglicht.

Satellitennavigation und Telekommunikation #

Erweisen sich Architekturen mit festen Calciumfluorid-Kristallen in der Produktion als weniger sperrig und empfindlich, könnten Raumfahrtagenturen und Betreiber von Satellitenkonstellationen Präzision optischer Güte direkt im Orbit einsetzen, ohne Kryokühlung oder komplexe Vakuumkammern für optische Gitter.

Grundlagenphysik und Astrophysik #

Weil Kernenergieniveaus direkt von der starken Wechselwirkung und der elektromagnetischen Kopplungskonstante $\alpha$ abhängen, bieten Kernuhren eine neuartige Empfindlichkeit, um zu prüfen, ob sich fundamentale physikalische Konstanten über kosmische Zeiträume ändern, und um Kandidaten für Dunkle Materie zu untersuchen.

Fazit #

Die gleichzeitige, nicht abgestimmte Ankunft funktionierender Kernuhren in Wien und Peking markiert einen echten Wendepunkt in der Präzisionszeitmessung. Keines der beiden Geräte übertrifft die Genauigkeit der heute besten Atomuhren, doch dass bereits eine erste funktionierende Generation bei einer Suche nach Dunkler Materie die Präzision einer Atomuhr erreicht, beweist, dass der Festkörperansatz mit Thorium-229 tragfähig ist. Der unmittelbare Weg nach vorn liegt in der Synthese: Wiens überlegene Kristallzucht mit Pekings leistungsstärkerem Anregungslaser zu verbinden.

Häufig gestellte Fragen #

Warum ist Thorium-229 das einzige Isotop, das für Kernuhren verwendet wird?

Die meisten Atomkerne haben Übergangsenergien im Bereich von Kiloelektronenvolt (keV) oder Megaelektronenvolt (MeV), was Gammastrahlen erfordert, die sich mit kohärenten Tischlasern nicht erzeugen lassen. Thorium-229 besitzt einen ungewöhnlich niedrigen isomeren Zustand von etwa 8,3 eV, der im Vakuum-Ultraviolett-Bereich liegt und damit für moderne Lasersysteme erreichbar ist.

Ersetzen Kernuhren heute schon Atomuhren?

Nein. Herkömmliche Atomuhren auf Basis von Cäsium-133 und optischen Strontiumgittern bleiben weltweit die primären Frequenznormale. Thorium-229-Kernuhren haben bei einer Demonstrationssuche nach Dunkler Materie die Präzision von Atomuhren erreicht, doch die atomare Genauigkeit zu übertreffen, bleibt ein prognostiziertes technisches Ziel.

Was verschafft Festkörper-Kernuhren einen operativen Vorteil?

Werden Thoriumkerne in feste Calciumfluorid-Kristalle eingebettet, entfallen die komplexen Kammern für Laserkühlung und Ultrahochvakuum-Fallen, die Atomuhren mit optischen Gittern benötigen, was weit kompaktere und robustere Einsätze im Feld ermöglichen könnte.

Quellen #

Thorsten Schumm et al., (2024). Demonstration der Kernuhr der TU Wien ⧉. Nature.
Shiqian Ding et al., (2024). Thorium-229-Kernfrequenznormal der Tsinghua-Universität ⧉. Nature.
BIPM, (2024). Beratender Ausschuss für Zeit und Frequenz (CCTF): Strategie für die künftige Definition der Sekunde ⧉. BIPM.

Zuletzt überprüft 2026-09-15.

Zuletzt überprüft 2026-10-27.

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Zwei Kernuhren aus Wien und Peking, noch nicht besser als Atomuhren — Sebastien Rousseau

In Wien und Peking haben zwei unabhängige Teams die ersten Kernuhren mit Thorium-229 in Betrieb genommen. Genauer als die besten Atomuhren ist noch keine.

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Zwei Kernuhren aus Wien und Peking, noch nicht besser als Atomuhren — Sebastien Rousseau

In Wien und Peking haben zwei unabhängige Teams die ersten Kernuhren mit Thorium-229 in Betrieb genommen. Genauer als die besten Atomuhren ist noch keine.

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SEBASTIEN ROUSSEAU FOUNDER · ENGINEER