Die Sekunde wird 50

Am 13. Oktober 1967 wurde die Sekunde neu definiert. Ihre Basis war fortan nicht mehr die Erdrotation, sondern die Schwingung von Cäsiumatomen. Doch auch diese «Atomsekunde» hat nun fast ausgedient.

«Sekundengenau» ist ein wandelbarer Begriff.

«Sekundengenau» ist ein wandelbarer Begriff. Bild: Fotolia

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Das Atomzeitalter begann im wahrsten Wortsinne eigentlich erst am 13. Oktober des Jahres 1967. An dem Tag nämlich hat die internationale Generalkonferenz für Mass und Gewicht an ihrer Sitzung in Sèvres bei Paris beschlossen, die Sekunde neu zu definieren.

Und zwar mithilfe von Cäsiumatomen. Fortan hatte die Erdrotation als Taktgeber ausgedient und mit ihr auch die alte Sekunde, die sich daran orientiert hatte.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 respektive 86 400 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.

Die Erdrotation ist Schwankungen unterworfen

In den 1930er-Jahren gelang es den deutschen Physikern Adolf Scheibe und Udo Adelsberger, mithilfe 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 86 400. 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 sperrig. Jetzt tief Luft holen: «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 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 deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) beschreibt die Leistungsfähigkeit einer PTB-Cäsium-Fontäne CSF 2, 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.»

Optische Uhren sind nochpräziser als Atomuhren

So manch einer wünscht sich jedoch 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.

Die optischen Uhren, an denen zurzeit weltweit in den Laboren geschraubt wird, befinden sich allesamt noch im Prototypenstadium. Bei der PTB etwa 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 etwas festhalten, 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. (Berner Zeitung)

Erstellt: 11.10.2017, 15:31 Uhr

Immer genauer

Standuhr mit Pendel: Es schwingt mit 0,5 Hertz (vom «Tick» zum «Tack» und zurück zum «Tick» vergehen 2 Sekunden). Solche Uhren können pro Tag mehrere Minuten falsch gehen.

Mechanische Uhr: Gute mechanische Armbanduhren schwingen mit ihrem Unruhe genannten «Pendel» mit einer Frequenz von 5 Hertz. Abweichungen von wenigen Sekunden pro Tag sind möglich.

Quarzuhr: In ihnen schwingt ein Quarz mit einer Frequenz von 32 768 Hertz. Fehler summieren sich hier auf einige wenige Sekunden pro Monat.

Atomuhr: In ihr schwingen Cäsiumatome mit einer Frequenz von 9 192 631 770 Hertz. Optische Uhren, die mit sichtbarem Licht betrieben werden, sollen deren Genauigkeit dereinst noch übertreffen.

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