Sekunden-Zukunft: Zeitmessung steht vor riesigem Präzisionssprung

Was genau ist eine Sekunde? Diese scheinbar einfache Frage wird von Wissenschaftlern immer wieder neu beantwortet. Die Definition der Sekunde hat sich im Laufe der Zeit stark ver­fei­nert - und steht nun vor einem weiteren Quantensprung im Hin­blick auf Präzision.

Zeitmessung ab 2030: So genau wird die neue Sekunde

Die Geschichte der Zeitmessung reicht weit zurück und ist geprägt von wenigen entscheidenden Präzisionssprüngen. Schon vor Jahrtausenden nutzten Menschen Sonnenuhren und Wasseruhren. Im 13. Jahrhundert kamen mechanische Uhren auf, die die Zeitmessung revolutionierten. Lange Zeit definierte man eine Sekunde als 1/86.400 eines Tages - abhängig von der Erdrotation.

Seit 1967 basiert die Definition der Sekunde auf der Übergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms. Die Übergangsfrequenz beschreibt, wie oft Elektronen in einem Atom zwischen zwei Energiezuständen wechseln. Bei Cäsium-133 geschieht dies exakt 9.192.631.770 Mal pro Sekunde. Diese präzise Zahl dient als Grundlage für unsere Zeitmessung.

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Eine Schlüsseltechnologie für die moderne Zeitmessung ist außerdem der Frequenzkamm. Dieses Instrument erzeugt Laserpulse mit vielen verschiedenen, gleichmäßig verteilten und bekannten Lichtfrequenzen. Die Frequenzen sind wie die Zähne eines Kamms angeordnet. Um Atomübergänge zu messen, kombiniert man das Signal des Frequenzkamms mit dem des zu messenden Atoms. Die Differenz ergibt ein leicht messbares "Schwebungssignal". So können selbst höchste Frequenzen präzise erfasst werden - unverzichtbar für die Entwicklung noch genauerer Uhren.

Ein vielversprechender nächster Schritt sind Strontium-Atomuhren. Sie nutzen höhere Frequenzen im Bereich des sichtbaren Lichts und könnten bis 2030 zu einer Neudefinition der Sekunde führen. Diese Uhren versprechen eine deutlich höhere Genauigkeit als die bisherigen Cäsium-Uhren. Noch weiter gehen sogenannte Kernuhren - die konsequenten Nachfolger der Atomuhren. Wie Vittorio Aita in seinem Artikel in The Conversation berichtet, basieren diese auf Übergängen im Atomkern statt in der Elektronenhülle. Das dabei verwendete Element Thorium-229 bietet eine etwa eine Million Mal höhere Frequenz als Cäsium-Atomuhren.

Zeit auf 19 Stellen genau

Die Bedeutung dieser Entwicklungen geht weit über die reine Zeitmessung hinaus. Kernuhren könnten die Zeit bis zur 19. Dezimalstelle genau messen. Diese extreme Präzision könnte zur Überprüfung fundamentaler physikalischer Theorien beitragen und die Erforschung ultraschneller Prozesse ermöglichen. Auch im Alltag wären die Auswirkungen spürbar: so könnten GPS-Systeme deutlich genauer werden.


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