Atomuhr - Atomuhrzeit - Atomzeit

Seit beginn der Zeitmessung versucht der Mensch die Zeit immer exakter zu messen. Die heute wohl genauste Zeit weltweit ist die Atomzeit, welche auf der SI-Sekunde basiert.

Überall auf der Welt gibt es Zeitinstitute, die durch Caesium-Atomuhren die exakte Atomzeit ermitteln. Die internationale Atomzeit (TAI) wird in Paris im Bureau International des Poids et Mesures festgelegt. Denn hier werden die Daten von ca. 260 Atomuhren aus 60 unterschiedlichen Zeitinstituten aus der ganzen Welt ausgewertet und so zur internationalen Atomzeit zusammengefasst. Mehrere dieser Cs-Atomuhren stehen in der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, wo die gesetzliche Zeit für Deutschland bestimmt wird. Die in der PTB ermittelte Atomzeit trägt die Bezeichnung TA (PTB). Per Funksignal wird die Atomzeit von Braunschweig an einen Funkturm in Mainflingen bei Frankfurt gesendet. Von dort kann jede Funkuhr das Signal empfangen und immer wieder die exakte Uhrzeit angleichen.

Da Erdrotation und Erdumlaufzeit geringfügigen Schwankungen unterliegen, basiert die geltende Zeiteinheit heute eben auf der SI-Sekunde, die eine atomare Naturkonstante ist. Nun ist für den Alltag eine Uhrzeit sinnvoll, die synchron zur mittleren Sonnenzeit läuft.

Da Sonnenzeit und Atomzeit aufgrund der Unbestimmtheit der Erdrotation nicht synchron laufen, gilt die koordinierte Weltzeit (UTC), die mit der Sonnenzeit synchronisiert wird. Die Abweichungen werden in der UTC durch das so genannte Schaltjahr aufgefangen. Alle vier Jahre wird der Kalender deshalb durch den 29ten Februar erweitert. Doch grundsätzlich basiert auch die koordinierte Weltzeit auf der SI-Sekunde.

Der Name SI-Sekunde leitet sich aus dem Zeittakt, der aus der Frequenz von Elektronen freier Atome vorgegeben wird, ab. Um die Atomzeit bzw. die SI-Sekunde zu ermitteln werden die Atomuhren genutzt. In den Atomuhren werden Caesiumatome (Cs) in einem Ofen verdampft. Nach dem Verdampfen befinden sich die Cs-Atome in den beiden energetisch tiefsten Zuständen, die sie einnehmen können. Nun werden die Cs-Atome magnetisch sortiert. Nur eine Sorte der Atome gelangt so in den Hohlraumresonator, in dem die Atome durch die Bestrahlung mit einem magnetischen Mikrowellenfeld den Zustand wechseln. Diese Atome werden nach dem Verlassen des Holraumresonators in einer speziellen Kammer aufgefangen. Ist eine bestimmte Frequenz des Mikrowellenfeldes erreicht, ist die aufgefangene Menge an Atomen am größten und die Frequenz wird angehalten und gezählt. Nach genau 9 192 631 770 Periodendauern ist eine Sekunde verstrichen. Mit Hilfe dieser Frequenz bzw. der SI-Sekunde wird also die Atomzeit in den Atomuhren definiert.

So ist die Atomuhr im Moment das präziseste Messinstrument zur Messung der Zeit. Die Abweichung der Atomzeit beträgt ca. 1 Sekunde in 3 Millionen Jahren. Das bedeutet, dass die Atomuhr maximal 25-12 milliardstel Sekunden innerhalb eines Jahres relativ zu einer idealen Uhr abweicht. Eine Quarzuhr hat im Vergleich eine Abweichung von mehreren Sekunden im Monat und bei einer mechanischen Armbanduhr ist die Abweichung noch größer. Kein Wunder also, dass die Caesium Uhren bzw. Atomuhren weltweit für Forschung, Börsenhandel etc. eingesetzt werden.