31.12.2006
Ein Effekt der allgemeinen Relativitätstheorie ist, dass Uhren in einem starken Schwerefeld langsamer gehen als in einem schwachen. Beim Vergleich von zwei Atomuhren, die sich in verschiedenen Höhen befinden, also verschieden weit vom Schwerezentrum der Erdkugel entfernt sind, muss eine Korrektur angebracht werden, die diesen Effekt berücksichtigt. Der Gangunterschied ist mit einer relativen Frequenzverschiebung von etwa 1,1 x 10-16 pro Meter Höhenunterschied sehr klein, aber angesichts der enormen Genauigkeit heutiger und zukünftiger Atomuhren von großer Bedeutung. Beim Vergleich der Uhren am NIST in Boulder/USA (Höhe über Normalnull ca. 1635 m) und an der PTB in Braunschweig wird zum Beispiel eine Korrektur von etwa 15 Nanosekunden pro Tag erforderlich.
Um diese Korrektur zu ermöglichen, wurde deshalb vor etlichen Jahren die Höhe des Bodens der Uhrenhalle der PTB über dem Geoid gemessen. Das Geoid ist eine gedachte Referenzfläche gleicher Schwere, gewissermaßen die Fortsetzung der gravitativen Normal-Null-Höhe von den Meeren bis auf bzw. in die Kontinente hinein. In der Zwischenzeit sind die Atomuhren, insbesondere seit Inbetriebnahme der Caesium-Fontänenuhren, erheblich genauer geworden, sodass die damals bestimmte Geoidhöhe überprüft und nach Möglichkeit in ihrer Genauigkeit verbessert werden musste.
Dazu wurden vom Institut für Geodäsie und Photogrammetrie der TU Braunschweig auf zwei verschiedenen Wegen mehrerer Referenzpunkte in der Uhrenhalle der PTB mittels Nivellement an genau vermessene Referenzpunkte auf dem PTB-Gelände angeschlossen. So liegt z. B. der Hallenboden 76,94 m über dem lokalen Geoid. Diese Geoidhöhe ist auf etwa 2,5 cm genau bekannt, was die Höhenkorrektur für die Uhren der PTB mit einer Restunsicherheit von 3 x 10-18 ermöglicht. Der neu bestimmte Wert weicht um nur 1,4 x 10-16 vom früher verwendeten ab, also um weniger als die Ganggenauigkeit der momentan besten Uhr der PTB, der Fontänenuhr CSF1.
Die Neubestimmung der Geoidhöhe ist vor allem für die Zukunft wichtig, wenn optische Uhren vielleicht in den Bereich von 10-17 oder sogar 10-18 relativer Unsicherheit vorstoßen. Bei einer Unsicherheit von 10-18 könnte man schon an der Ganggeschwindigkeit erkennen, wenn die Uhr um nur einen Zentimeter angehoben wird!