nr. sieben

Das Ticken der Atomsekunde

Am 13. Oktober vor 50 Jahren wurde die Atomsekunde zum Taktgeber der Welt. Wie lange wird sie es noch sein?

Das Atomzeitalter begann im Wortsinne am 13. Oktober des Jahres 1967. An diesem Tage beschloss die internationale Generalkonferenz für Maß und Gewicht auf ihrer 13. Sitzung, die Sekunde mit Hilfe von Cäsium-Atomen neu zu definieren. Fortan hatte die Erdrotation als Taktgeber für die Zeit auf der Welt ausgedient und mit ihr auch die alte Sekunde. Die Schwingung von Cäsium-Atomen gibt seither die neue Zeit an.

Die Erde dreht sich nicht konstant

Das war notwendig geworden, seit feststand, dass auf die Erdrotation kein Verlass mehr war. Die Erde dreht sich nämlich mitnichten in 24 Stunden beziehungsweise 86 400 Sekunden völlig gleichförmig einmal um sich selbst, wovon man lange ausgegangen war. Doch vor der Erfindung hochpräziser Quarzuhren konnte das niemand 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 tickt. Selbst relativ kleine Ereignisse wie Erdbeben oder die saisonale Umschichtung von Biomasse (Blattwachstum der Bäume, Schnee, Eis) können dazu führen, dass sich die Rotationsgeschwindigkeit ändert, sie nimmt zu oder ab. Auf Dauer wird unser Planet außerdem aufgrund der Gezeitenreibung immer mehr abgebremst.

„Eine Sekunde ist der 86 400. Teil eines mittleren Sonnentages.“

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 die gleichförmige Schwingung von Cäsium-Atomen zum neuen Maßstab und damit zum Taktgeber der Zeit. Die Definition der sogenannten SI-Sekunde (SI steht für das internationale Einheitensystem Système international d’unités) klingt ziemlich sperrig: „Die 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.“

Natürlich brauchte man für die neue Sekunde neue Uhren, denn selbst Quarzuhren waren da überfordert. In ihnen schwingt ein Quarz mit einer Frequenz von 32 768 Hertz (1 Hertz entspricht einer Schwingung pro Sekunde). Fehler summieren sich hier typischerweise auf einige wenige Sekunden pro Monat. Das freilich ist bereits enorm genau im Vergleich zu mechanischen Uhren. Gute mechanische Armbanduhren schwingen mit ihrem Unruhe genannten Pendel mit einer Frequenz von 5 Hertz. Abweichungen von ein paar Sekunden pro Tag sind da schon drin. Das Pendel von Großmutters Standuhr schwingt hingegen mit lediglich 0,5 Hertz. Vom „Tick“ zum „Tack“ und wieder zurück in die Ausgangsposition zum „Tick“ vergehen ganze zwei Sekunden. So eine Uhr kann deshalb durchaus mehrere Minuten pro Tag falsch gehen.

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    Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitübertragung, im Zeitlabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) vor einer Atomuhr. Foto: Julian Stratenschulte/dpa
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    In den Händen von PTB-Mitarbeitern liegen zwei kleine Cäsium-Ampullen, die den Betrieb der Atomuhr CS2 für 20 Jahre ermöglichen. Foto: PTB/dpa
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    Bei Bedarf muss in Atomuhren eine Schaltsekunde eingefügt werden, um die Ungenauigkeit der Erdrotation auszugleichen. Hier bereitet ein Mitarbeiter die Atomuhr CSF 1 in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) dafür vor. Foto: Peter Steffen/dpa

Mitte des 20. Jahrhunderts 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. In einer Atomuhr schwingen Cäsium-Atome mit einer Frequenz von 9 192 631 770 Hertz.

„Nach 158 Millionen Jahren könnte die Atomuhr möglicherweise von einer idealen Uhr um eine Sekunde abweichen.“ Dr. Andreas Bauch

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.

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    Historisch: Das linke Ziffernblatt zeigt die Mittelreuropäische Zeit (MEZ), das rechte die Atomzeit, die 1973 noch um eine Stunde und 12 Sekunden gegenüber der in Deutschland gebräuchlichen Zeit differierte. Foto: Wolfgang Weihs/dpa
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    Die Caesium-Fontänenuhr CSF2 in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig Foto: PTB/dpa

Die aktuelle Weltzeit UTC (United Time Coordinated) basiert auf der Atomsekunde, wird aber mittels Schaltsekunden und Schaltjahren an die tatsächliche Erdrotation angeglichen. Nicht damit abgestimmt wird die TAI (Temps Atomique International) – 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. Ausgedient hat die GMT, Greenwich Mean Time, benannt nach dem gleichnamigen Londoner Stadtteil. Von 1884 bis 1928 war sie die Weltzeit. Durch die Sternwarte in Greenwich verläuft der Nullmeridian. Von dieser Nulllinie ausgehend werden die Zeitzonen benannt.

Es geht noch viel genauer: Optische Uhren als Prototypen

Während im Alltag schon die Genauigkeit einer Quarzuhr mehr als genügt, reicht so manchen Forschern nicht mal die Atomuhr. Kommunikationstechniker, Geologen und Militärs würden gerne die GPS-Bestimmung präzisieren und Wissenschaftler möchten unter anderem Naturkonstanten überprüfen. Damit hätte die Atomsekunde ausgedient, denn eine noch genauere Uhr braucht einen noch genaueren Taktgeber – will heißen: einen schnelleren. Da das sichtbare Licht noch 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 in den Startlöchern, um die Atomuhren mit ihren Atomsekunden abzulösen. Wann es so weit sein wird, ist noch offen.

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    In einem Teil einer optischen Uhr ist eine blau leuchtende Wolke Strontium-Atome in einem Labor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zu sehen. Eines Tages könnten optische Uhren die Cäsium-Atomuhren ablösen. Foto: Julian Stratenschulte/dpa
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    Blaues Laserlicht leuchtet in einem Teil einer optischen Uhr in einem Labor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Foto: dpa

Die optischen Uhren, an denen zur Zeit weltweit geschraubt wird, befinden sich noch im Prototypenstadium. An der Universität von Boulder, Colorado (USA), ist es den Physikern gelungen, ein Modell mit erstaunlichen 518 Billionen Schwingungen pro Sekunde zu betreiben. Bei der PTB in Braunschweig werkelt man zur Zeit auch 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.“

Was sich in Sekunden summiert

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    Die Weltbevölkerung nimmt pro Sekunde um 2,6 Menschen zu (Sterbefälle eingerechnet). In der Sekunde, da dies getippt wurde, leben 7 572 124 400 Personen. Foto: dpa
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    Nicht in einer, aber alle fünf Sekunden verhungert auf der Welt ein Kind unter elf Jahren. 57 000 Menschen sterben pro Tag an Hunger. Foto: dpa
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    Das Vermögen von Bill Gates wächst pro Sekunde um 76 Euro. Momentan beträgt es 81 620 396 000 Euro. Seine Stiftung engagiert sich weltweit wohltätig. Foto: dpa
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    206 Kilo Plastik gelangen pro Sekunde in die Weltmeere. 142 669 510 Tonnen Kunststoff zirkulieren als Müllstrudel durch die Ozeane. Foto: dpa
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    380 Patronen werden pro Sekunde produziert. Werden 90 Prozent aller gekauften Kugeln abgefeuert, fallen pro Sekunde 342 Schüsse. Foto: dpa

Sammlung: asa; Quellen: UN, Unicef, Live-Counter

Text: Christian Satorius
Fotos: i-picture/Fotolia, rasica/Fotolia, dpa

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