Zeitrechnung

Die Sekunde wird 50 Jahre alt

Bis 1967 definierte man die Zeiteinheit mit Hilfe der Erdrotation. Nun geben Schwingungen von Cäsium-Atomen den Takt vor.

Christian Satorius & dpa
Fr, 13. Okt 2017
Panorama

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Wie genau misst diese Uhr? | Foto: Tomas Jansa (adobe.com) — Wie genau misst diese Uhr? Foto: Tomas Jansa (adobe.com)

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BRAUNSCHWEIG. Das Atomzeitalter begann im eigentlichen Wortsinne 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 der Schwingungen von Cäsium-Atomen. Fortan hatte die Erdrotation als Taktgeber ausgedient und mit ihr auch die alte Sekunde, die sich daran orientierte. Eine neue Zeitrechnung brach an.

Diese Neuerung war notwendig geworden, seit feststand, dass auf die Erdrotation kein Verlass mehr war. Die Erde dreht sich nämlich mitnichten in 24 Stunden oder 86 400 Sekunden völlig gleichförmig einmal um sich selbst, wovon man lange ausgegangen war. Der Göttinger Mathematiker Carl Friedrich Gauß hatte vor etwa 120 Jahren diese Definition vorgeschlagen.

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 – etwa das Blattwachstum der Bäume, Schnee oder 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. In den 1950er-Jahren war die an Gauß angelehnte alte Definition der Sekunde endgültig überholt.

Die Atomsekunde gibt es seit 1955, als die erste Cäsium-Atomuhr zu arbeiten begann. "In ihrem Inneren ermöglichen die Schwingungen von Cäsium-Atomen – 9 192 631 770 Mal in der Sekunde – die genaue Zeitmessung: für Laien unvorstellbar genau", erklärt Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitübertragung bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in

Braunschweig. 1967 schließlich erhoben Politiker und Wissenschaftler am Sitz des Internationalen Büros für Maß und Gewicht im Pariser Vorort Sèvres die gleichförmige Schwingung von Cäsium-Atomen zum neuen Maßstab und damit zum Taktgeber der Zeit.

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. Die PTB, die das nationale Metrologieinstitut ist, verfügt seit 1969 über die erste selbstgebaute Cäsium-Atomuhr. Andreas Bauch 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." In anderen Worten ausgedrückt: "Nach 158 Millionen Jahren könnte sie möglicherweise von einer idealen Uhr um eine Sekunde abweichen", sagt Bauch.

Nicht alle sind uneingeschränkt begeistert: Für Johannes Graf vom Deutschen Uhrenmuseum in Furtwangen ist diese Entscheidung aus dem Jahr 1967 durchaus vergleichbar mit den Umwälzungen der Relativitäts- und Quantentheorie für die Physik. "Die Menschen lasen die Zeit fortan nicht mehr vom Himmel ab, sondern stellten sie mit Atomuhren her. Seitdem haftet der Sekunde nichts Göttliches mehr an. Sie ist nur noch ein von Menschen gemachtes Produkt", sagt Graf.

Manch einer wünscht sich allerdings eine noch genauere Zeit. Kommunikationstechniker, Geologen und Militärs würden gerne die GPS-Bestimmung präzisieren, 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 dazugehörige 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 befinden sich nämlich allesamt noch im Prototypenstadium.

Ressort: Panorama