In unserer Sammlung schwingen die Pendel in aller Ruhe. Seit rund 350 Jahren verlassen sich Uhrmacher auf ein denkbar einfaches physikalisches Prinzip: Ein schwingendes Pendel ist der zuverlässigste Taktgeber, den man bauen kann. Nun haben Physiker aus Basel und Genf dieses Prinzip dorthin getragen, wo man es zuletzt vermutet hätte: In die Quantenwelt, auf die Ebene einzelner Atome.
Huygens und die Erfindung, die alles veränderte
Bis ins 17. Jahrhundert gingen Uhren denkbar ungenau. Abweichungen von einer Viertelstunde pro Tag galten als normal. Der niederländische Gelehrte Christiaan Huygens änderte das: 1657 liess er sich die Pendeluhr patentieren, 1673 legte er mit seinem Werk «Horologium Oscillatorium» die dazugehörige Theorie vor. Der Effekt war durchschlagend: Die Genauigkeit von Uhren stieg um das Sechzigfache, von rund fünfzehn Minuten auf etwa fünfzehn Sekunden Abweichung pro Tag.
Der Grund: Ein Pendel besitzt eine Eigenfrequenz. Es schwingt, unabhängig von kleinen Schwankungen des Antriebs, praktisch immer im selben Rhythmus. Ein Räderwerk, das nur auf einzelne, ungleichmässige Impulse reagiert, kann diese Regelmässigkeit nicht erreichen. Bis heute steckt dieses Prinzip in jeder unserer Kaminuhren: Die Hemmung, das sogenannte Echappement, wandelt die Energie von Gewicht oder Feder in gleichmässige Stösse um, die das Pendel am Schwingen halten und über das Räderwerk die Zeiger bewegen.
Eine Grenze, die eigentlich nicht zu unterbieten ist
Für mechanische Uhren gilt das. Für Zeitmesser aus der Quantenwelt gilt es erst recht. Auf der Ebene einzelner Atome ist praktisch nichts stabil, die Natur fügt jedem Vorgang ein gewisses Mass an Zufall und Unschärfe hinzu. Physiker fassen diesen Zusammenhang in einem Gesetz namens «thermodynamische Unbestimmtheitsrelation» zusammen: Je weniger Energie ein Prozess verbraucht, desto ungenauer und unregelmässiger verläuft er. Auch bei Uhren, eigentlich. Eine Atomuhr, die kaum Energie kostet, müsste demnach zwangsläufig ungenau ticken.
Diese Grenze hat ein Forschungsteam der Universitäten Basel und Genf nun unterboten, nur wenige Kilometer von Muttenz entfernt. Matteo Brunelli, Patrick Potts und ihre Kolleginnen und Kollegen bauten eine Uhr, deren Taktgeber sich wie ein echtes Pendel verhält, anstatt sich auf einen rein zufälligen Vorgang wie den radioaktiven Zerfall zu verlassen. Im Zentrum des Modells steht ein einzelner atomarer Emitter, der zusammen mit einem winzigen mechanischen Resonator einen regelmässigen Takt erzeugt. Der Resonator übernimmt dabei dieselbe Aufgabe wie das Pendel einer klassischen Uhr: Er sorgt dafür, dass der Rhythmus gleichmässig bleibt.
Wie bei einer Pendeluhr entsteht der Takt durch eine regelmässige Schwingung und nicht allein durch zufällige Einzelereignisse. Dadurch arbeitet das System überraschend stabil. Das Ergebnis, veröffentlicht im Fachjournal «Physical Review A», ist bemerkenswert: Das Modell zeigt, dass eine solche Pendeluhr genauer arbeiten kann, als es für rein zufallsgetriebene Systeme nach der thermodynamischen Unbestimmtheitsrelation zu erwarten wäre, und das, obwohl sie kaum Energie benötigt. Werden mehrere solcher Quantensysteme gemeinsam eingesetzt, nähert sich das Verhalten der Uhr zunehmend jenem einer klassischen Pendeluhr an. Ein seltener Blick auf den Übergang zwischen Quantenwelt und klassischer Physik.
Vom Kaminsims ins Labor
Hochpräzise Uhren stecken heute in weit mehr Geräten, als man vermuten würde: in GPS-Satelliten, in den Synchronisationssystemen von Kommunikationsnetzen und zunehmend auch in Quantencomputern. All diese Systeme sind auf Taktgeber angewiesen, die möglichst wenig Energie verbrauchen und trotzdem verlässlich bleiben. Ein Prinzip, das diesen Zielkonflikt auflöst, ist deshalb mehr als eine akademische Kuriosität. Es könnte langfristig beeinflussen, wie präzise sich Zeit künftig messen lässt, ohne dabei viel Energie zu verbrauchen.
Bemerkenswert an dieser Forschung ist für unsere Sammlung nicht die Technik der Quantenoptik. Es ist die Grundidee. Die Physikerinnen und Physiker griffen bewusst auf jenes Prinzip zurück, das Christiaan Huygens vor 350 Jahren in Bronze und Messing goss: Rhythmische Schwingung schlägt Zufall. Wer heute vor einer unserer Pendulen steht und dem gleichmässigen Tick-Tack lauscht, erlebt dasselbe Grundprinzip, das Forschende heute auch in der Quantenwelt nutzen: Nicht der Zufall bestimmt den Takt, sondern eine regelmässige Schwingung.
Die Uhrmacher des 18. Jahrhunderts kannten weder Quantenmechanik noch Unbestimmtheitsrelationen. Sie wussten nur: Ein Pendel lügt nicht. Dreieinhalb Jahrhunderte später gibt ihnen die Physik recht.
Literatur
- Brunelli, Matteo; Mehboudi, Mohammad; Brunner, Nicolas; Potts, Patrick P.: A Quantum Mechanical Pendulum Clock. arXiv:2506.10666, Preprint, 12. Juni 2025. Verfügbar unter: https://arxiv.org/abs/2506.10666 (abgerufen am 1. Juli 2026).
- Brunelli, Matteo; Mehboudi, Mohammad; Brunner, Nicolas; Potts, Patrick P.: Quantum mechanical pendulum clock. Physical Review A, Bd. 113, 052427 (2026). DOI: 10.1103/hb36-7m2r. Veröffentlicht am 13. Mai 2026. Verfügbar unter: https://link.aps.org/doi/10.1103/hb36-7m2r (abgerufen am 1. Juli 2026).
- Phys.org: Quantum pendulum clock overcomes classical accuracy limits and sheds light on quantum-to-classical transitions. 13. Mai 2026. Verfügbar unter: https://phys.org/news/2026-05-quantum-pendulum-clock-classical-accuracy.html (abgerufen am 1. Juli 2026).
- Landes, David S.: Revolution in Time. Clocks and the Making of the Modern World. Revised and Enlarged Edition. Cambridge (MA): Harvard University Press, 2000. ISBN 978-0-674-00282-1.
- Christiaan Huygens: Horologium Oscillatorium sive de motu pendulorum ad horologia aptato demonstrationes geometricae. Paris: F. Muguet, 1673.