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6.12.1946: Atomuhr vorgestellt
Wie spät ist es?
Entschuldigen Sie, können Sie mir sagen, wie viel Uhr es ist?

Kaum eine Frage, außer vielleicht das übliche meist gedankenlose "Wie geht es Dir?", ist alltäglicher als die nach der Zeit. Aber wer weiß eigentlich genau worüber wir da reden, wenn es um Termine, Pünktlichkeit, Zeitdruck, Jahreszahlen und viele weitere Anhaltspunkte geht, die sich nur über die Zeiteinheit definieren lassen. Zeit ist in der Tat eine Definitionssache.

Die Grundeinheit ist eine Sekunde. Aber, wissen Sie wie lang eine Sekunde ist? Auf jeden ist sie überall auf dem Globus gleich lang, egal ob sie am Nordpol oder am Äquator verstreicht, und egal zu welcher Jahreszeit sie gemessen wird. Aber diese scheinbar selbstverständliche Tatsache ist kaum älter als ein halbes Jahrhundert.

Erst seit dem 6. Dezember 1946 ist eine Sekunde immer und überall auf der Welt gleichlang! Damals hat der amerikanische Physiker Willard Frank Libby die erste Atomuhr vorgestellt. Das revolutionäre an dieser Erfindung: die Uhr misst die Zeit so genau, dass sie in 300.000 Jahren maximal eine Sekunde nachgehen soll. Und, die Uhr definiert die Dauer von einer Sekunde.

Dr. Andreas Bauch ist Leiter des Fachlabors Zeiteinheit an der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig und weiß wovon er redet, und er hütet sich davon sprechen, dass die Zeit gemessen wird.

Bauch: "Dauer von Zeitintervallen, auf gut Deutsch die Dauer von Sekunden, wird von dieser Atomuhr, die wir hier betreiben, abgeleitet, und zusätzlich wird auch noch jeder Sekundenimpuls, jede Zeiteinheit mit einem Namen versehen, d. h. wir sagen den Menschen wirklich, wie spät es ist."

Zeit ist also eine Definitionsfrage. Vor der Atomuhr hat man versucht, durch die Messung der Erdrotation einen möglichst genauen Zeittakt zu definieren. Das Ergebnis einer Rotation der Erde um 360 Grad lässt sich in Zeit folgendermaßen ausdrücken: ungefähr 23 Stunden, 56 Minuten und 4.09 Sekunden. Das man die Zeit der Erdrotation nicht genau messen kann, liegt daran, dass Drehung um die eigene Achse von verschiedenen Faktoren beeinflusst wird.

Die Gezeitenkopplung an den Mond bewirkt eine Massenverlagerung, die sich bin hinein ins Erdinnere auswirkt und die Rotation bremsen bzw. auch beschleunigen kann. Außerdem befinden sich auf der Nordhalbkugel der Erde größere Landmassen, und unterschiedlich starke Winde tragen ebenfalls dazu bei, dass unser Planet je nach Jahreszeit unpünktlich ist.

Anfang Juni zum Beispiel dreht sich die Erde am langsamsten, sie geht dann ungefähr 0,48 Sekunden nach. Den Rückstand holt sich aber Anfang Oktober wieder auf, dann geht sich ca. 0,48 Sekunden vor. Diese Schwankungen ermöglichen es lediglich, den Zeittakt einer Sekunde als Mittelwert zu definieren. Und das reichte den Forschern nicht!

Der amerikanische Chemiker Willard Frank Libby hatte sich seit den 1930er Jahren der Erforschung der Nuklearkraft gewidmet. Während des Zweiten Weltkrieges forschte er an der Columbia Universität in New York und beteiligte sich am Manhattan Project, d. h. an wichtigen Arbeiten, die zur Entwicklung der ersten Atombombe führten.

Im Zuge seiner Arbeiten entdeckte er die Eigenschaften des stabilen Cäsiumisotops 133, das das Grundelement der Atomuhr bildet. Andreas Bauch von der Physikalisch Technischen Bundesanstalt:

"Atomuhren nutzen die Eigenschaften von stabilen Isotopen aus, von dem stabilen Isotop 133 Cäsium. Es ist also nicht der radioaktive Zerfall der hier eine Rolle spielt. Die Atomuhren nutzen aus, das was jetzt gerade mit hundert Jahren Quantenmechanik von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft groß gefeiert wird, nämlich die grundlegende Erkenntnis, dass Atome in verschiedenen Energiezuständen vorkommen, dass der Übergang zwischen den verschiedenen Energiezuständen verknüpft ist mit dem Austausch elektromagnetischer Strahlung, und dass auf diese Weise elektromagnetischen Signale erzeugt werden können, die von Naturkonstanten, nämlich von den Energiezuständen der Atome, abgeleitet werden können. Und das nutzt man in einer Atomuhr aus. Der Taktgeber, der letztendlich die Sekundenintervalle bestimmt, die eine Atomuhr abgibt, sind einzelne freie Atome."

Im Fall des Cäsiumatoms kann der Wechsel des Energiezustandes durch elektronische Strahlung mit einer charakteristischen Frequenz erzwungen werden. Und die liegt bei 9.192.631.770 Hz. Das heißt, innerhalb einer Sekunde wechselt das Cäsiumatom seinen Energiezustand 9.192.631.770 Mal. Und was ist nun Zeit?

Bauch: "Zeitmaß ist Definitionssache, wie auch die Benennung von Zeitpunkten. Das ist noch viel mehr ein Maß von Vereinbarung. Ob wir uns jetzt einigen, jetzt 14.27 Uhr zu sagen oder etwas Anderes. Keine Atomuhr sagt ihnen, wie spät es ist, es sei denn, sie würde vorher gestellt werden. Genau so wie jede Armbanduhr oder jede Quarzuhr, an die man sich gewöhnt hat, erst mal gestellt werden muss, um irgend etwas sinnvolles anzuzeigen."

Zeit wird also nicht gemessen sondern als solche über eine Grundeinheit, die Sekunde, definiert. In Deutschland begann das Zeitalter der atomdefinierten Sekunde Ende der 1960er Jahre, 1969 wurde in der Physikalisch Technischen Bundesanstalt in Braunschweig die erste Atomuhr CS1 in Betrieb genommen.

Seit in Kraft treten des Zeitgesetzes am 25. Juli 1978 liegt die Verantwortung für die gesetzliche Zeit bei der PTB, die heute insgesamt fünf Atomuhren betreibt, die jüngste von ihnen ist 1999 in Betrieb genommen worden. Und welchen Nutzen hat der Normalbürger davon? Dr. Andreas Bauch meint:

"Sie hat einen sehr starken Bezug zu unserem Alltagsleben. Wir haben uns daran gewöhnt zu telefonieren. Also unsere ganzen Telekommunikationsnetze, die weltweit existieren, die es uns erlauben, Informationen, Daten aber auch Gespräche übe Satelliten auszutauschen, funktionieren nur, weil in all den verschiedenen nationalen Telekommunikationsnetzen und bei allen Betreiben Atomuhren stehen, mit deren Hilfe diese Netze synchronisiert werden, dass die Taktfrequenzen hier die gleichen sind wie in Frankreich, in England oder in den USA. Das ist Voraussetzung dafür, dass man überhaupt diese technischen Möglichkeiten des Telefonierens so aufbauen kann."

Autorin: Mirjam Gehrke
   
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