Braunschweig – 1955 nahm die erste Cäsium-Atomuhr ihre Arbeit auf. Vor 50 Jahren, am 13. Oktober 1967, wurde die Sekunde auf dieser Basis im Internationalen Einheitensystem SI neu definiert: Auf der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht wurde entschieden: "Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung."

Damit war die Sekunde auf der Grundlage eines atomaren Quantenüberganges definiert. Die große Zahl in der Definition steht für etwas mehr als neun Milliarden Schwingungen pro Sekunde – eine ganz bestimmte Frequenz von Mikrowellenstrahlen, die eben diesen Quantenübergang im äußersten Elektron des Cäsiumatoms in Gang bringen. Diese Definition ist bis heute gültig.

Ungleichmäßige Erdrotation

So lange man von einer gleichmäßigen Erdrotation ausgegangen war, wurde die Sekunde daraus abgeleitet. Die Erde dreht sich jedoch nicht in 24 Stunden beziehungsweise 86.400 Sekunden völlig gleichförmig einmal um sich selbst. In den 1930er Jahren gelang den deutschen Physikern Adolf Scheibe und Udo Adelsberger erstmals der Nachweis, dass die Erdrotation Schwankungen unterworfen ist. Die Definition war damit überholt.

Im Herbst 2018 wird die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht beschließen, dass das gesamte Internationale Einheitensystem (SI) auf Naturkonstanten beruhen soll. Die Sekunde müsse dafür nicht angetastet werden – sie sei vor fünfzig Jahren sehr vorausschauend und zukunftsfähig formuliert worden, heißt es in einer Aussendung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. "Die Sekunde war (neben dem Meter) nicht nur zeitlich gesehen ganz vorne mit dabei. Sie führt auch im Wettlauf der Genauigkeiten: Keine Einheit lässt sich genauer realisieren."

Optische Atomuhren in Entwicklung

Heutige Cäsium-Atomuhren, wie die vier primären Uhren der PTB, die in Deutschland für die Realisierung und Verbreitung der gesetzlichen Zeit zuständig sind, messen mit einer Genauigkeit von 16 Stellen hinter dem Komma. In der PTB ging die erste selbstgebaute Cäsium-Atomuhr 1969 in Betrieb, seither kamen drei weitere dazu.

Die Uhren der nächsten Generation, die sogenannten optischen Atomuhren, könnten die Cäsium-Atomuhren aber schon bald ablösen: Ihre Schwingungsfrequenz liegt deutlich höher – sie messen also genauer, allerdings kann es zu gelegentlichen Stillständen kommen. Physiker arbeiten derzeit daran, diese Ausfälle auszugleichen. (red, 9.10.2017)