Die Sekunde ist 50 Jahre alt

ZEIT ⋅ Am 13. Oktober 1967 wurde die Sekunde neu definiert. Ihre Basis war neu die Schwingung von Cäsiumatomen. Doch auch diese «Atomsekunde» hat nun schon fast ausgedient.
08. Oktober 2017, 09:43

Christian Satorius

Das Atomzeitalter begann im wahrsten Wortsinne eigentlich erst am 13. Oktober des Jahres 1967. An diesem Tag nämlich hat die internationale Generalkonferenz für Mass und Gewicht an ihrer 13. Sitzung im Pariser Vorort Sèvres beschlossen, die Sekunde ganz neu zu definieren. Und zwar mit Hilfe von Cäsiumatomen. Fortan hatte die Erdrotation als Taktgeber ausgedient und mit ihr auch die alte Sekunde, die sich daran orientierte.

Die Schwingung von Cäsiumatomen gab jetzt die neue Zeit an. Das war notwendig geworden, weil man festgestellt hatte, dass auf die Erdrotation kein Verlass mehr war. Die Erde dreht sich nämlich mitnichten in 24 Stunden bzw. 86400 Sekunden völlig gleichförmig einmal um sich selbst, wovon man lange ausgegangen war. Zweifel gab es zwar schon Ende des 19. Jahrhunderts, doch vor der Erfindung hochpräziser Quarzuhren konnte die Abweichungen niemand wirklich präzise nachmessen.

Erdrotation ist Schwankungen unterworfen

In den 1930er-Jahren gelang es den deutschen Physikern Adolf Scheibe und Udo Adelsberger, mit Hilfe der selbst konstruierten Quarzuhren erstmals nachzuweisen, dass die Erdrotation effektiv Schwankungen unterworfen ist. 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 86400. Teil eines mittleren Sonnentages»), war damit definitiv überholt. Bereits 1960 wurde diese sogenannte mittlere Sonnensekunde von der Ephemeridensekunde abgelöst, die sich auf die gleichmässigere jährliche Rotation der Erde um die Sonne bezog. Doch diese Sekunde galt gerade mal sieben Jahre.

1967 erhob man die gleichförmige Schwingung von Cäsiumatomen zum neuen Massstab und damit zum Taktgeber der Zeit. Die neue Definition der sogenannten SI-Sekunde («Système international d’unités») klingt allerdings schon sehr, sehr sperrig. Jetzt tief Luft holen: «Die Sekunde ist das 9192631770-Fache 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 Ammoniakmolekülen werkelte und nicht den gewünschten Erfolg brachte, stattete man die nächsten Exemplare mit den schon erwähnten Cäsiumatomen aus.

Seitdem konnte die Genauigkeit derartiger Uhren immer weiter verbessert werden. Andreas Bauch von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig beschreibt die Leistungsfähigkeit einer «PTB-Cäsium-Fontäne CSF2», die heute zu den genauesten Uhren der Welt zählt, so: «Nach 158 Millionen Jahren könnte sie möglicherweise von einer idealen Uhr um eine Sekunde abweichen.»

So manch einer wünscht sich allerdings eine noch präzisere Zeit, so etwa Kommunikationstechniker, Geologen und Militärs. Da das sichtbare Licht noch sehr viel schneller schwingt als Cäsiumatome, ist die Sache auch längst ausgemacht: Optische Uhren, die mit Licht betrieben werden, und die dazugehörige optische Sekunde könnten die Atomsekunden ablösen.

Wann genau es so weit sein wird, kann noch niemand mit Bestimmtheit sagen. Die optischen Uhren, an denen zur Zeit weltweit in den Laboren geschraubt wird, befinden sich allesamt noch im Prototypenstadium. Bei der PTB in Braunschweig zum Beispiel werkelt man an einer optischen Ytterbium-Einzelionenuhr, die so genau sein soll, 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 ein wenig festhalten, sagt Christian Gebring von der PTB: «Es ist sicher sinnvoll, die alte Sekundendefinition beizubehalten, bis klar ist, welcher der verschiedenen Typen von optischen Uhren sich am besten eignet.»

Gut Ding will eben Weile haben, es kommt da nicht so auf die Sekunde an, nicht einmal auf ein paar Jahre.


Leserkommentare

Anzeige: