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Atomzeitalter : Die Sekunde wird 50

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Aus der Onlineredaktion

Vor 50 Jahren wurde die Sekunde neu definiert: Ihre Basis war fortan nicht mehr die Erdrotation, sondern die gleichmäßige Schwingung von Cäsium-Atomen.

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erstellt am 08.Okt.2017 | 09:00 Uhr

Das Atomzeitalter begann im Wortsinne eigentlich erst am 13. Oktober des Jahres 1967. An diesem Tage nämlich beschloss die internationale „Generalkonferenz für Maß und Gewicht“ auf ihrer 13. Sitzung, die Sekunde ganz neu zu definieren und zwar mit Hilfe von Cäsium-Atomen. Damit hatte praktisch das Atomzeitalter begonnen, und zwar im wahrsten Sinne des Wortes – denn fortan hatte die Erdrotation als Taktgeber ausgedient und mit ihr auch die alte Sekunde, die sich daran orientierte. Die Schwingung von Cäsium-Atomen gab jetzt die neue Zeit an.

Kein Verlass auf die Erdrotation

Das war notwendig geworden, seit feststand, dass auf die Erdrotation kein Verlass mehr war. Die Erde dreht sich nämlich mitnichten in 24 Stunden bzw. 86  400 Sekunden völlig gleichförmig einmal um sich selbst, wovon man lange ausgegangen war. Doch vor der Erfindung hochpräziser Quarzuhren konnte das niemand wirklich präzise nachmessen.

In den 1930er Jahren gelang es den deutschen Physikern Adolf Scheibe und Udo Adelsberger, mit Hilfe der selbstkonstruierten Quarzuhren erstmals nachzuweisen, dass die Erdrotation Schwankungen unterworfen ist und somit alles andere als konstant. Selbst relativ kleine Ereignisse wie Erdbeben oder saisonale Umschichtung von Biomasse (Blattwachstum der Bäume, Schnee, Eis) können dazu führen, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ändert und diese so zu- oder auch abnimmt. Auf Dauer wird unser Planet aber unter anderem aufgrund der Gezeitenreibung immer mehr abgebremst. Die alte Definition der Sekunde, die sich auf die Erdrotation bezog („Eine Sekunde ist der 86  400. Teil eines mittleren Sonnentages“) war damit überholt.

1967 erhob man somit die gleichförmige Schwingung von Cäsium-Atomen zum neuen Maßstab und damit zum Taktgeber der Zeit. Die neue Definition der sogenannten SI-Sekunde (SI steht für das internationale Einheitensystem „Système international d’unités“) klang allerdings ein wenig sperrig: „Die Sekunde ist das 9.192.631.770fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.“

Natürlich brauchte man für so eine neue Sekunde damals auch völlig neue Uhren, denn die guten alten Quarzuhren waren da doch ein wenig überfordert. Jetzt schlug die Stunde der Atomuhren. Da die erste Atomuhr 1949 noch mit Ammoniak-Molekülen werkelte und nicht den gewünschten Erfolg brachte, stattete man die nächsten Exemplare mit den schon erwähnten Cäsium-Atomen aus. Seitdem konnte die Genauigkeit derartiger Uhren immer weiter verbessert werden.

Abgeschätzte Unsicherheit

Dr. Andreas Bauch von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig beschreibt die Leistungsfähigkeit der PTB-Cäsium-Fontäne CSF2, die heute zu den genauesten Uhren der Welt zählt, so: „Die CSF2 hat eine abgeschätzte Unsicherheit, die SI-Sekunde zu realisieren, von 2 mal 10 hoch minus 16. Unsicherheit heißt: Man weiß es nicht, und schon gar nicht, ob sie vorgehen oder nachgehen würde.“ Mit anderen Worten heißt das: „Nach 158 Millionen Jahren könnte sie möglicherweise von einer idealen Uhr um eine Sekunde abweichen“, sagt Bauch.

So manch einer wünscht sich allerdings eine noch genauere Zeit. Kommunikationstechniker, Geologen und Militärs würden gerne die GPS-Bestimmung präzisieren und Wissenschaftler möchten unter anderem Naturkonstanten überprüfen. Damit hätte die gute alte Atomsekunde allerdings ausgedient, denn eine noch genauere Uhr erfordert auch einen noch genaueren Taktgeber, will heißen: einen schnelleren. Da das sichtbare Licht noch sehr viel schneller schwingt als Cäsium-Atome, ist die Sache auch längst ausgemacht: Optische Uhren, die mit Licht betrieben werden, und die dazugehörigen optischen Sekunden stehen schon jetzt in den Startlöchern, um die Atomuhren mit ihren Atomsekunden abzulösen.

Nur wann genau es so weit sein wird, kann bisher noch niemand mit Bestimmtheit sagen. Die optischen Uhren, an denen zur Zeit weltweit in den Laboren geschraubt wird, befinden sich nämlich allesamt noch im Prototypenstadium. An der Universität von Boulder, Colorado (USA), ist es den Physikern gelungen, einen Prototypen mit erstaunlichen 518 Billionen Schwingungen pro Sekunde zu betreiben. Bei der PTB in Braunschweig werkelt man zur Zeit an einer optischen Ytterbium-Einzelionenuhr, die so genau ist, dass sie in einem Zeitraum vom Urknall (!) bis heute maximal weniger als eine halbe Sekunde abweicht. So verheißungsvoll das neue optische Zeitalter auch sein mag, vorerst will man an der guten alten Atomsekunde noch eine Weile festhalten, sagt Dr. Christian Gebring von der PTB: „Es ist sinnvoll, an der alten Definition festzuhalten, bis klar ist, welche der verschiedenen Typen von optischen Uhren sich am besten eignet.“

 

Das kleine ABC der Zeiten

UT „Universal Time“, die „Universalzeit“. Gleich mehrere Varianten der Universalzeit UT0, UT1, UT2, UT1R etc. finden in manchen Bereichen wie etwa einigen Wissenschaften auch heute noch Verwendung. Die  UT orientiert sich an der tatsächlichen Erdrotation, indem sie den Durchgang der Sonne durch den Nullmeridian im britischen Greenwich zum Ausgangspunkt nimmt. Sie entspricht im Prinzip der GMT.   

UTC  Aktuelle Weltzeit mit dem vollen Namen „United Time Coordinated“ (Koordinierte Weltzeit). Sie hat die Atomsekunde als Basis, wird aber mittels Schaltsekunden und Schaltjahren an die tatsächliche Erdrotation angeglichen.   

GMT „Greenwich Mean Time“, die Greenwich-Zeit, benannt nach dem gleichnamigen Londoner Stadtteil mit der bekannten Sternwarte, durch die der Nullmeridian verläuft. Von 1884 bis 1928 war sie die Weltzeit, heute ist sie aber eigentlich nur noch von historischer Bedeutung.  

MEZ Mitteleuropäische Zeit (entspricht UTC+1).

MESZ Mitteleuropäische Sommerzeit (entspricht UTC+2).

Nullmeridian  Der Meridian, der durch die Sternwarte im britischen Greenwich verläuft und quasi den Nullpunkt oder besser gesagt: die Nullinie bzw. den Nullhalbkreis für die Zeitzonen darstellt. Vom Nullmeridian ausgehend werden die einzelnen Zeitzonen benannt.

TAI  (frz. „Temps Atomique International“) steht für die Internationale Atomzeit. Über 60 Zeitinstitute mit ihren über 260 Atomuhren werden dazu vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht in Frankreich koordiniert. Sie ist eigentlich nur für Wissenschaftler von Bedeutung, da sie nicht mittels Schaltsekunden und Schaltjahren an die tatsächliche Erdrotation angeglichen wird. Alle Normalsterblichen nutzen deshalb lieber die UTC.  

Zulu-Zeit, Z-Zeit Das „Z“ steht hier für „Zero“, also „Null“ und meint den Nullmeridian. Militärs verwenden diese Ausdrücke ebenso wie Alpha-Zeit (entspricht MEZ bzw. UTC+1) und Bravo-Zeit (entspricht MESZ bzw. UTC+2 bzw. mitteleuropäische Sommerzeit).

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