Frankreich

Christophe Salomon

Balzanpreis 2025 für Atome und ultrapräzise Messung der Zeit

Für seinen bahnbrechenden Beitrag zur Anwendung ultrakalter Atome bei der Herstellung von Atomuhren, die die Zeitmessung revolutioniert haben.

Die Zeit ist eine der grundlegenden Größen der Natur, und ihre Definition hat seit jeher wissenschaftliche und philosophische Debatten von höchster Bedeutung ausgelöst. Die Zeitmessung, die für alle menschlichen Aktivitäten von wesentlicher Bedeutung ist, basierte jahrtausendelang auf dem zyklischen Wechsel von Tag und Nacht, was die Entwicklung der „Sonnenuhr” ermöglichte, die für die wichtigste Tätigkeit, die Landwirtschaft, nützlich war. Genauere Zeitmessungen wurden dann durch die Zählung immer schnellerer periodischer Phänomene ermöglicht, von den Schwingungen des Galileischen Pendels bis hin zu modernen Uhren. Die Herausforderung, die Bewertung des „Vergehens der Zeit” zu verfeinern, wird einerseits stark durch die Grundlagenforschung, beispielsweise zur Struktur von Atomen und Molekülen, aber auch durch technologische Aktivitäten motiviert, sei es die Übertragung von Informationen mit sehr hoher Geschwindigkeit oder die Bestimmung der zurückgelegten Entfernungen durch Messung der Zeit, die das Licht benötigt, um sie zu durchqueren, oder auch die Navigation sowohl auf der Erde als auch im Weltraum.

Die Quantenmechanik – deren hundertjähriges Bestehen die UNESCO in diesem Jahr feiert – hat es ermöglicht, die Struktur der Atome und die Mechanismen zu verstehen, nach denen Elektronen von einem Energieniveau zum anderen „springen” können, wenn sie von elektromagnetischer Strahlung mit einer bestimmten Frequenz angeregt werden, die der Energiedifferenz zwischen zwei atomaren Niveaus entspricht.

Vor etwa sechzig Jahren änderte sich die Definition von Zeit: Sie bezog sich nun nicht mehr auf den zyklischen Wechsel von Tag und Nacht, sondern auf das Ticken von Cäsiumatomen, das 9 Milliarden Mal schneller ist als das des Pendels von Galileo. Atome, die zu jeder Zeit und an jedem Ort identisch sind, bilden das Herzstück der derzeit genauesten Uhren.

In einem Gas mit einer für uns normalen Temperatur bewegen sich diese Teilchen sehr schnell, was die Möglichkeit einschränkt, sie lange genug zu beobachten, um ihre Schwingungen, die die Grundlage der Atomuhr bilden, genau zu messen. Die Quantenmechanik hat nicht nur zu einer Revolution im wissenschaftlichen Verständnis geführt, sondern auch zu bedeutenden technologischen Umwälzungen, wie der Erfindung des Lasers, der unter seinen unzähligen Anwendungsmöglichkeiten insbesondere die Bewegung von Atomen verlangsamen kann, indem er sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abkühlt. Die Bedeutung der Laserkühlung im Allgemeinen wurde durch die Verleihung des Nobelpreises für Physik 1997 an Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji und William Phillips anerkannt, während ihre Anwendung in der Zeitmesstechnik durch den Balzan Preis 2025 gewürdigt wird.

Der Preisträger Christophe Salomon ist der Erfinder bahnbrechender Methoden, die es ihm auf der Grundlage der Laserkühlung ermöglichten, neue Arten von Atomuhren zu entwickeln. Ihm verdanken wir die Erfindung und erste Demonstration der Atomfontänenuhr im Jahr 1991. Bei dieser Uhr werden Cäsiumatome, die von Laserstrahlen bei einer Temperatur von nur wenigen Mikrokelvin (einige Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt) eingefangen, wie der Wasserstrahl eines Brunnens sanft nach oben geschleudert und während ihrer gesamten Aufwärts- und Abwärtsbewegung gemessen. Dieses Schema ermöglicht eine erhebliche Verlängerung der Messdauer und damit eine höhere Genauigkeit. Heute wird das Schema des Atombrunnens in Metrologie-Instituten auf der ganzen Welt für die Realisierung des Netzwerks miteinander verbundener primärer Atomuhren verwendet, die die internationale Atomzeit definieren.

Als führender Forscher auf dem Gebiet der Grundlagenphysik, erkannte Salomon früh die Bedeutung der präzisen Zeitmessung in diesem Bereich und entwickelte in Zusammenarbeit mit dem Observatorium von Paris die erste mobile Atomfontäne. Er setzte sie im Labor von Theodor W. Hänsch (Nobelpreisträger für Physik 2005) für Messungen des Wasserstoffspektrums ein, die einen sehr genauen Test der Theorie der Quantenelektrodynamik (QED) lieferten, der physikalischen Theorie, die heute mit höchster Genauigkeit experimentell überprüft wird.

Salomon war auch der erste, der vorschlug, „ultrakalte” Atomuhren im Weltraum zu verwenden. Vor 30 Jahren begann er mit der Entwicklung der ersten Cäsiumuhr für die Internationale Raumstation (ISS), wo die Mikrogravitationsumgebung eine erhebliche Verbesserung der Genauigkeit und der Testergebnisse bezüglich der relativen allgemeinen Relativitätstheorie ermöglicht, aber auch eine bessere Synchronisation des weltweiten Netzwerks von Primäruhren. Erst vor wenigen Monaten wurde die von Salomon, seinen Mitarbeitern, dem CNES und der ESA entwickelte Weltraumuhr auf der ISS installiert, und die ersten experimentellen Signale zeigen bereits eine Verlängerung der Interaktionszeit im Vergleich zu atomaren Fontänuhren auf der Erde.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft arbeitet nun an der Entwicklung noch präziserer Atomuhren, beispielsweise solcher, die auf der Messung optischer Frequenzen basieren, die 100 Tausend Mal höher sind als die in den heutigen Referenzuhren verwendeten Mikrowellen. Auch in diesem Bereich könnte die im Weltraum betriebene Kaltatomuhr von Salomon von entscheidender Bedeutung sein, um die Reproduzierbarkeit dieser neuen Uhren, die an verschiedenen Orten der Erde in Betrieb sind, zu vernetzen und zu analysieren.