Fünfzig Jahre Atomsekunde

Zwar begann die erste Cäsium-Atomuhr bereits 1955 zu arbeiten. Doch erst m Herbst 1967 ging die Atom­sekunde in das Inter­nationale Einheiten­system SI ein. So kam eine Entwick­lung in Gang, die voraus­sicht­lich in einem Jahr ihren Abschluss nehmen wird: Im Herbst 2018 wird die 26. General­konferenz für Maß und Gewicht beschließen, dass das gesamte Inter­nationale Einheiten­system auf unver­änder­lichen Eigen­schaften der Natur beruhen soll, also auf Natur­konstanten. 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. Heutige Cäsium-Atom­uhren, wie die vier primären Uhren der Physi­ka­lisch-Tech­nischen Bundes­anstalt, die in Deutsch­land für die Reali­sierung und Verbrei­tung der gesetz­lichen Zeit zuständig sind, defi­nieren die Zeit mit einer Genauig­keit von 16 Stellen hinter dem Komma.

„Sie bieten uns ein schönes Thema zum Reflektieren: die Messung der Sternen­bahnen in einem uner­mess­lich weiten Kosmos mithilfe der Schwin­gung eines unend­lich kleinen Atoms.“ So poetisch drückte der damalige franzö­sische Außen­minister aus, was kurz danach in Paris passieren würde: Die versam­melten Wissen­schaftler und Poli­tiker beschlossen auf der 13. General­konferenz für Maß und Gewicht am 13. Oktober 1967, die Sekunde neu zu defi­nieren: „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 Quanten­über­gangs 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 gilt bis heute. Nicht einmal beim Über­gang zum neuen SI im nächsten Herbst muss sie ange­tastet werden – offen­sicht­lich ist sie vor fünfzig Jahren sehr voraus­schauend und zukunfts­fähig formu­liert worden.

Historisch gesehen ist die Zeit – neben der Länge und dem Gewicht – sicher eine der wichtig­sten Mess­größen über­haupt. Obwohl Philo­sophen wie Physiker sich nicht leicht tun mit der Defini­tion, was die Zeit über­haupt ist, so gehört sie doch selbst­ver­ständ­lich zum Leben dazu. Und seit vielen Jahr­tausenden wird sie gemessen, zunächst anhand der Bewe­gung der Erde gegen­über der Sonne und dem Fix­stern­himmel. Das erlaubte es, die Zeit über­all ein­fach zu bestimmen – und das war lange wich­tiger, als sie beson­ders präzise zu messen. Erst im Industrie­zeit­alter änderte sich das und brachte eine enorme Beschleu­ni­gung in der Geschichte der Zeit­messung mit sich. Einige Jahr­tausende Sonnen­uhren, einige Jahr­hunderte Pendel­uhren, rund ein Jahr­hundert Quarz­uhren, fünf Jahr­zehnte Atom­uhren, die alle zehn Jahre zehn­mal genauer werden – so sieht ganz kurz gefasst der „Zeit­strahl der Zeit­messung“ aus.

Einer der frühesten Vorschläge für das moderne Messen aller physika­lischen Größen stammt von dem Physiker James Clerk Max­well. Er forderte schon 1870, man solle sich nicht auf die von der Erde gelie­ferten Maße, wie die Tages­länge für die Sekunde oder den Erd­umfang für den Meter, beziehen, sondern statt­dessen Natur­konstanten für die Fest­legung der physi­ka­lischen Ein­heiten ver­wenden. Eine geeig­nete Natur­konstante für die Messung der Zeit brachte 1940 der amerika­nische Physiker Isidor Isaac Rabi ins Spiel: die Übergangs­frequenz zwischen zwei aus­ge­wählten Zuständen eines Atoms. Besonders geeignet seien, so Rabi, die Hyper­fein­struktur­zustände im Atom 133Cs, einem nicht radio­aktiven Cäsium-Isotop. Rabi bekam 1944 den Nobel­preis und sein Vorschlag schaffte es an promi­nenter Stelle in die Aus­gabe der New York Times vom 21. Januar 1945.

Zehn Jahre später „tickte“ die erste Cäsium-Atomuhr im englischen National Physical Labora­tory. Gleich­zeitig liefen schon seit einigen Jahren die Vor­berei­tungen für das spätere Inter­nationale Einheiten­system, das 1960 ins Leben gerufen werden sollte. Aber die Betei­ligten in den Organen der Meter­konven­tion trauten der schönen neuen Sekunden-Welt noch nicht recht. Vorerst ließ man die Zeit in der Hand der Astro­nomen: 1960 wurde die Epheme­riden-Sekunde fest­gelegt, die aus heutiger Sicht wenig hilf­reich war. Aber im Herbst 1967 hatten sich die­jenigen durch­gesetzt, denen die Chancen der Atom­uhren­technik klar waren. Von nun an galt die moderne Sekunden­definition.

In der PTB tickte 1969 die erste selbstgebaute Cäsium-Atomuhr. Bis heute sind noch drei weitere dazu­gekommen. Die PTB gehört heute zu den führenden „Zeit-Machern“, ihre Cäsium-Atom­uhren haben einen großen Anteil an der Erzeu­gung der inter­natio­nalen Zeit­skala. Und auch die Uhren der nächsten Gene­ration, die optischen Atom­uhren, zeigen hier schon ihr großes Poten­zial – aber das könnte dann das Thema einer Jubiläums­meldung in zehn Jahren sein.

PTB / RK