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Schaltjahr 2016 : Die Sekunde neu definiert

vom
Aus der Redaktion der Zeitung für die Landeshauptstadt

Da 2016 ein Schaltjahr ist, gibt es am Montag, den 29. Februar, einen ganzen zusätzlichen Tag im Kalender. Für unsere hochtechnisierte Welt ist das eigentlich viel zu ungenau, meinen Wissenschaftler in aller Welt.

svz.de von
erstellt am 28.Feb.2016 | 09:00 Uhr

Wie lange dauert eine Sekunde?

Kommt drauf an, könnte man sagen, denn die Antwort hängt von der Zeit ab – und zwar von der, in der die Frage gestellt wird. Bis 1967 war alles ganz einfach: Eine Sekunde war als „86  400ster Teil eines mittleren Sonnentages“ definiert (24 Stunden mal 60 Minuten mal 60 Sekunden sind insgesamt 86  400 Sekunden). Das klingt zwar logisch, stimmt aber mit der Praxis so nicht überein.

Die Erde dreht sich nämlich keineswegs absolut gleichförmig, vielmehr gibt es etliche Einflussfaktoren (Gezeitenreibung, Blattwachstum der Bäume und so weiter), die die Geschwindigkeit der Erdrotation und somit die Länge eines Tages beeinflussen können. In den letzten Jahrzehnten hat sich die Erde so immer mehr beschleunigt, insgesamt gesehen aber, wird sie auf Dauer eher abgebremst.

Für unsere hochtechnisierte Welt ist das zu ungenau, befand man schon 1967, und wählte eine von derartigen Schwankungen unabhängige Basis für die Zeitbestimmung, nämlich die äußerst präzise Schwingung von Cäsiumatomen. Die Sekunde wurde also neu definiert: „Eine Sekunde ist das 9  192  631  770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.“ Klingt zwar etwas sperrig – Wissenschaftler wie Physiker und Astronomen konnten damit aber erst einmal leben.

Eine neue Zeit braucht eine neue Uhr

Bis heute, könnte man sagen, denn inzwischen gibt es eine ganze Reihe neuer Technologien und Anwendungen, die eine noch exaktere Zeitbestimmung ganz gut gebrauchen könnten. Geologen, Kommunikationstechniker und Militärs wollen so beispielsweise die GPS-Bestimmung präzisieren und Wissenschaftler möchten unter anderem Naturkonstanten überprüfen. Mit anderen Worten: Eine noch präzisere Sekunde soll her, ja praktisch ein ganz neues Zeitalter sozusagen. Das Problem: Es gibt gar keine Uhr für diese schöne neue Zeit. Genau das soll sich jetzt ändern.

Schon seit einigen Jahren forschen Wissenschaftler auf der ganzen Welt mit Hochdruck an der sogenannten „optischen Uhr“, die mit Licht betrieben wird. Warum diese neuartige Uhr so überaus präzise ist, weiß Christian Lisdat von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig: „Eine optische Uhr ist so genau, weil ihr ‚Pendel‘ so schnell schwingt“, sagt der Fachmann für Quantenoptik. „So lässt sich die Skala gewissermaßen feiner aufteilen und auch feiner kontrollieren.“ Das ist bei herkömmlichen Uhren im Prinzip nicht anders, nur eben, dass es hier um ganz andere Dimensionen geht. Ein Uhrenvergleich macht das deutlich:

Bei einer normalen Standuhr gibt das typische Tick-Tack-Geräusch Aufschluss über die Schwingungsanzahl des Pendels pro Sekunde (Hertz). Typischerweise vergeht genau eine Sekunde vom „Tick“ zum „Tack“, und eine weitere Sekunde, bis das Pendel wieder an seinen Ursprungsort zurückgekehrt ist – die Frequenz beträgt also 0,5 Hertz (denn für eine vollständige Bewegung beziehungsweise Periode braucht das Pendel ganze zwei Sekunden). Derart langsam schwingende Standuhren können durchaus mehrere Minuten am Tag falsch gehen.

Gute mechanische Armbanduhren hingegen schwingen mit ihrem „Unruhe“ genannten „Pendel“ mit einer Frequenz von fünf Hertz, also zehnmal so schnell wie die Standuhr, und können dementsprechend sehr viel genauer sein. Abweichungen von nur wenigen Sekunden pro Tag werden so möglich.

Quarzuhren können es bauartbedingt noch besser: In ihnen schwingt ein Quarz mit einer Frequenz von erstaunlichen 32  768 Hertz. Fehler summieren sich hier typischerweise auf wenige Sekunden pro Monat.

Atomuhren können es noch besser. Die Cäsiumfontänenuhren CSF1 und CSF2 der PTB in Braunschweig, die zu den derzeit genauesten Uhren der Welt zählen, arbeiten mit einer Unsicherheit von zehn hoch minus 15, was einer Abweichung von maximal einer einzigen Sekunde in zehn Millionen Jahren entspricht. In ihnen werden Cäsiumatome bei einer Frequenz von 9  192    631  770 Hertz mit Mikrowellen bestrahlt.

Die optischen Uhren, die in einigen Laboren schon in der Erprobungsphase sind, sollen das noch übertreffen. Sie werden mit sichtbarem Licht betrieben, das noch sehr viel schneller schwingt. An der Universität von Boulder, Colorado (USA), gelang es den Physikern, einen Prototypen mit atemberaubenden 518 Billionen Schwingungen pro Sekunde ticken zu lassen.

Eine Sekunde Abweichung – seit dem Urknall

Die genaueste Uhr der Welt haben jetzt die Forscher der PTB gebaut. In einem Zeitraum vom Urknall bis heute weicht sie maximal weniger als eine halbe Sekunde ab. Im Gegensatz zu ihren amerikanischen und japanischen Kollegen setzen die Braunschweiger auf die Einzelionenuhr, die durchaus ihre Vorteile hat: „Das verwendete Ytterbium hat ganz einmalige Eigenschaften. Mit der besonderen Empfindlichkeit eignet es sich hervorragend für wissenschaftliche Tests„, sagt Christian Tamm vom Fachbereich „Optische Frequenznormale“ an der PTB. „Von den gegenwärtigen Technologien lässt sich die Einzelionenuhr zudem am einfachsten realisieren.“

Wobei „einfach“ relativ ist. Letztlich sind alle optischen Uhren, die es bisher auf der Welt gibt, lediglich Prototypen, an denen noch eine ganze Weile gewerkelt werden muss, bis sie auch unter extremen Bedingungen wie etwa im Weltraum stabil und zuverlässig laufen. Auch die Synchronisation mehrerer derartiger optischer Uhren wirft noch Fragen auf. Dennoch sind sich die Experten einig, dass diese Probleme zu bewältigen sind, und die optischen Uhren in Zukunft den Takt für ein ganz neues Zeitalter vorgeben werden. „Die Chancen stehen gut, dass die Definition der Sekunde dann geändert wird“, meint Christian Lisdat. Wann es allerdings ganz genau soweit sein wird, können die Fachleute auf der ganzen Welt nicht mit der gewohnten Präzision sagen: In einigen Jahren wahrscheinlich – so in etwa.

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