50 Jahre Genauigkeit Die Atomsekunde feiert Geburtstag

Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitübertragung, steht am 22.10.2012 im Zeitlabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig (Niedersachsen) neben einer Atomuhr.
Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe Zeitübertragung im Zeitlabor der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig neben einer Atomuhr.

»Auf die Sekunde«, heißt es, wenn etwas pünktlich klappt. Doch wie lange dauert eigentlich eine Sekunde? Was trivial klingt, geht tief in die Physik.

Der Sprint-Weltrekord über 100 Meter liegt bei 9,58 Sekunden. Ein Formel1-Rennwagen braucht von 0 auf 100 unter vier Sekunden. Ein Wimpernschlag dauert in etwa nur eine Zehntelsekunde. Doch wie lange dauert eine Sekunde eigentlich? Was trivial klingt, beschäftigt Wissenschaftler seit Jahrhunderten. Die aktuell gültige Definition einer Sekunde - man spricht auch von Atomsekunde - jährt sich nun (13.10.) zum 50. Mal.

Die Atomsekunde ist im Vergleich zu den sechs anderen sogenannten Basiseinheiten (Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol (Stoffmenge) und Candela (Lichtstärke)) am genauesten definiert: auf 16 Stellen hinter dem Komma.

Bis in die 1950er galt, was der Mathematiker Carl Friedrich Gauß etwa 120 Jahre zuvor vorgeschlagen hatte: Die Sekunde sei der 86 400. Teil eines mittleren Tages, also der Drehung der Erde um sich selbst. Was danach folgte, bezeichnen Experten von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig als eine “revolutionäre Entwicklung”.

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 PTB. Auf der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht wurde dann am 13. Oktober 1967 von Wissenschaftlern und Politikern beschlossen: Eine Sekunde dauert genauso lang wie 9 192 631 770 Schwingungen eines Atoms des Nuklids 133-Cäsium. Bis heute gilt diese Definition.

Für Johannes Graf vom Deutschen Uhrenmuseum 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.

Die PTB, die das nationale Metrologieinstitut ist, verfügt seit 1969 über die erste selbstgebaute Cäsium-Atomuhr. Drei weitere sollten folgen und dafür sorgen, dass sich die PTB selbst zu den führenden «Zeit-Machern» zählen darf. Ihre Uhren haben nach eigenen Angaben einen großen Anteil an der Erzeugung der weltweiten Zeit.

Wegen der ungleichmäßigen Erdumdrehung passen Atomzeit und mittlerer Tag – wie Gauß vorschlug – nicht perfekt zusammen: Schon bis 1972 war eine Differenz von zehn Sekunden aufgelaufen und man erfand die «koordinierte Weltzeit», die mit Schaltsekunden an die astronomische Zeit angepasst wird. Mit solchen Schaltsekunden wird kompensiert, dass die Erde für eine Umdrehung ein kleines bisschen länger braucht als 24 Stunden Atomuhrzeit. Seit 1972 gab es 27 Schaltsekunden, zuletzt Ende Dezember 2016.

Die Definition der Atomsekunde vor 50 Jahren war Vorreiter einer Entwicklung, die auch andere Basiseinheiten erfasste. Die Messexperten der PTB gehen davon aus, dass die Generalkonferenz im Herbst 2018 beschließen wird, dass das gesamte Einheitensystem wie bei der Atomsekunde auf Naturkonstanten - also unveränderlichen Eigenschaften der Natur - beruhen soll. Bislang ist die Referenzgröße beim Gewicht beispielsweise noch das Ur-Kilogramm, ein Metallstück, das streng gesichert in Paris steht.