Keine Ihrer Uhren geht genau – das ist der Grund

Eine Sekunde ist genau definiert: Sie entspricht dem 9.192.631.770-fachen der Periodendauer einer Strahlung, die beim Übergang in der Hyperfeinstruktur des Caesium-Isotops ¹³³Cs entsteht. Bis 2030 will die Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine noch bessere Definition verabschieden – denn Atomuhren werden immer genauer: die ältesten Caesium-Uhren gehen etwa nach drei Millionen Jahren eine Sekunde falsch, auf Strontium basierende erst nach 300 Millionen Jahren.

Und selbst solche Präzision stellt ein brandneues Modell vielleicht bald in den Schatten: Dank verschränkter Ytterbiumatomen könnte die Atomuhr der Zukunft erst nach 140 Milliarden Jahren um eine Sekunde abweichen – das ist mehr als Zehnfache des Alters des bekannten Universums. Aber es geht sogar noch genauer.

Darum geht Ihre Uhr ungenau

So genau kann die Uhr an Ihrem Handgelenk oder an der Wand nicht sein. Der Stand der Technik gibt das schlichtweg nicht her, es kommt immer zu Abweichungen aufgrund mechanischer Reibung oder Ungenauigkeiten bei der Messung. Die Frage ist eigentlich nur, wie sehr ungenau Ihre Uhr geht.

Fangen wir mal bei den mechanischen Uhren an, da zeigt sich das Problem am deutlichsten: Solche Zeitmesser „irren“ sich täglich um bis zu 30 Sekunden. Bei hochwertigen Uhrwerken fällt die Abweichung zwar geringer aus, vermeiden lässt sie sich aber nicht. Die Reibung der Wellen in ihren Lagern und das komplexe Zusammenspiel verschiedener Baugruppen vom Antrieb über die Hemmung bis hin zum Zeigerwerk sind dafür verantwortlich.

Schon deutlich genauer funktioniert die Zeitmessung mit Quarzuhren, hier sind Abweichungen von einigen Sekunden pro Monat normal. Der Präzisionsgewinn gegenüber der mechanischen Uhr geht auf einen kleinen Quarzkristall im Inneren des Uhrwerks zurück. Wird dieser Kristall mit der Batterie der Uhr verbunden, setzt der piezoelektrischen Effekt den Kristall in Schwingung, abhängig von der angelegten Spannung beginnt er zu pulsieren. Die übliche Schwingfrequenz des Quarzkristalls in einer Uhr liegt bei 32.768 Hz. Diese Schwingungen werden dann gemessen, um daraus den Gang der Zeit abzuleiten. Der Vorgang ist derart präzise, dass Quarzuhren jährlich nur um +/- 60 Sekunden abweichen. Digitale Uhren verwenden fast immer einen Schwingquarz.

Besonders präzise Uhren können sich übrigens an einem akribischen Testverfahren versuchen, um das begehrte Schweizer Siegel „COSC“ (Contrôle officiel suisse des chronomètres) zu erhalten. Der Test dauert 15 Tage, mit exakten Vorschriften für die Lage der Uhr und den umgebenden Raumtemperaturen. Uhren, die den hohen Anforderungen der Schweizer gerecht werden, erhalten vom Hersteller oft das Label „Chronometer“. Die Toleranz für Abweichungen schrumpft da auf etwa 0,05 Sekunden pro Tag.

Doch auch solche Werte können Betreiber einer Atomuhr nur milde belächeln. Atomuhren sind die vielleicht präzisesten Geräte, die der Mensch je entwickelt hat. Den Takt der Zeit leiten sie aus den Frequenzen der Strahlung von Quantenübergängen in der Atomschale ab. Genaugenommen ist das eine indirekte Zeitmessung, denn eine Frequenz ist der Kehrwert der Zeit, sie beschreibt also Ereignisse pro Sekunde. Das kennt eigentlich jeder aus der Displaytechnik: Ein 144-Hertz-Monitor aktualisiert sein Bild 144-mal pro Sekunde. In einer Caesium-Atomuhr leigt die Frequenz der Schwingungen im GHz-Bereich, also sehr viel höher. Ein erstes funktionale Modell einer Atomuhr mit Ammoniak-Molekülen wurde bereits Ende der 40er-Jahren gebaut.

Die Funktionsweise einer Atomuhr ist physikalisch durchaus komplex: Caesiumatome werden darin verdampft und in einem Strahl gebündelt. Weil für die Zeitmessung aber nur Atome mit einem bestimmten Energieniveau genutzt werden können, wird der Atomstrahl per Magnetfeld erst einmal sortiert. Die „brauchbaren“ Caesiumatome landen dabei in einem Resonator, wo sie mit Mikrowellen bestrahlt werden, um ihren Energiezustand zu ändern.

Stellt man nun die Frequenz dieser Mikrowellen optimal ein (auf die Eigenfrequenz der Atome), besteht eine maximale Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Atomhüllen ihren Energiezustand ändern. An diese optimale Frequenz kann man sich über eine Messung jener Atome herantasten, die nach der Bestrahlung ihren Energiezustand geändert haben. Man ändert die Frequenz also so lange, bis die Anzahl dieser Atome maximal ist.

Und diese Frequenz beträgt im eingangs genannten Übergang in Caesium-Atomuhren exakt 9 192 631 770 Hertz. Nach so vielen Schwingungen ist dann per Definition eine Sekunde verstrichen. Heute wird vor allem Caesium, Wasserstoff, Rubidium und Strontium in den atomaren Zeitmessern verwendet. Atomuhren weichen erst nach vielen Millionen Jahren um eine Sekunde ab, experimentelle Atomuhren erst nach Milliarden von Jahren.

Physikalisch-Technische Bundesanstalt

In Deutschland sind zurzeit vier komplexe Atomuhren in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig im Einsatz. Zwei davon, die Caesium-Fontänen CSF1 und CSF2, liefern die gesetzliche Richtzeit im Land. Diese sogenannten Fontänenuhren sind unheimlich genau, weil Atome darin mithilfe komplizierter Verfahren durch Laser abgebremst und anschließend wie in einer Fontäne nach oben hin beschleunigt werden. So kann man die Atome länger bestrahlen und ihre Frequenz schließlich noch genauer messen als in herkömmlichen Atomuhren. CSF2 weicht dank dieser Technik erst nach 180 Millionen Jahren um eine Sekunde ab, es ist damit die genaueste Fontänenuhr der Welt.

Funkuhren empfangen den Leitwert solcher Atomuhren über einen eigenen Zeitzeichensender, im Internet ist er über das Network Time Protocol (NTP) abrufbar.

Für Funkuhren und Smartphones ist die extreme Genauigkeit nicht so wichtig

Wenn Sie also nicht gerade eine Atomuhr zu Hause stehen haben, dann wissen Sie eigentlich immer nur, wie viel Uhr es ungefähr ist. Und wie ist das mit dem Smartphone oder Tablett? Genau wie Funkuhren bedienen sich die Geräte an der Richtzeit von Atomuhren, die per Funk oder Internet exakt verfügbar ist. Während Funkuhren ihre Zeitsignale in der Regel zwischen 2 und 3 Uhr nachts erhalten, können sich Smartphones, Tablets oder Smartphones bei aktiver Internetverbindung jederzeit präzise aktualisieren.

Bis zur jeweils nächsten Aktualisierung kann es dann zwar wieder zu Abweichungen kommen, die bewegen sich aber im Bereich von Sekundenbruchteilen, so dass man davon gar nichts mitbekommt. Um tatsächliche eine Abweichung von der Realzeit zu bemerken, müsste man den Geräten für lange Zeit das automatische Update verwehren.

Noch genauer als CSF2: Optische Atomuhren

Die bisher genauste Zeitmessung ist mit optischen Atomuhren möglich. Auch an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig stehen solche Präzisionsgeräte. Anstelle von Mikrowellen (wie bei einer Caesium-Atomuhr), werden Atome in optischen Atomuhren mit Licht im sichtbaren Spektrum bestrahlt, denn das hat eine noch höhere Frequenz.

Eine Abweichung um eine Sekunde ist bei optischen Atomuhren erst nach 30 Milliarden Jahren zu erwarten – falls dann noch jemand da ist, um den Fehler anzusprechen. Zum Vergleich: Das ist etwa doppelt so lange, wie das Alter des Universums (14 Milliarden Jahre).

Doch selbst damit sind Physiker noch nicht zufrieden: Am National Institute of Standards and Technology (Colorado) haben Wissenschaftler die Grundlage geschaffen, um eine Wolke aus Ytterbiumatomen per Laserstrahl auf 10 Nanokelvin abzukühlen – 10 milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das neue Potenzial: Eine Atomuhr, bei der es erst nach 300 Milliarden Jahren zu einer Abweichung von einer Sekunde kommt, nochmals doppelt so präzise wie das eingangs erwähnte Experiment des MIT.

Wozu braucht man so präzise Uhren?

Rechnet man die Ungenauigkeit solcher Atomuhren auf ein Menschenleben herunter, beträgt die Abweichung (nach 85 Jahren) etwa 0,3 Nanosekunden. Solche Präzision braucht man im Alltag zwar kaum, Hochtechnologien und moderne Physik profitieren aber von jedem Genauigkeitsgewinn bei der Zeitmessung. Am Ende haben dann auch Verbraucher etwas von dem Fortschritt.

Zum Beispiel bei der Positionsbestimmung. In GPS-Satelliten kreisen auch Atomuhren um den Globus. Je genauer die funktionieren, desto präziser lassen sich Koordinaten auf der Erdoberfläche bestimmten. Aktuell klappt das im zivilen Bereich auf etwa drei Meter genau. Auch Raumsonden kann man mit zunehmend genauer Zeitmessung immer besser anpeilen und hochpräzise Messinstrumente können ebenfalls von extrem präziser Zeitmessung profitieren. Etwa um relativistische Effekte zu messen: Satelliten im Erdorbit erfahren eine geringere Schwerkraft als Atomuhren auf der Erdoberfläche, auch die hohen Geschwindigkeiten relativ zum Boden führen zu Unterschieden bei der Messung von Längen und Zeiten. Je genauer also eine Positionsbestimmung auf der Erde erfolgen soll, um so genauer muss man auch die Zeiten messen.

Kann man Atomuhren im Handel kaufen?

Ja, das geht, aber nicht so einfach. Denn nicht überall, wo Atomuhr draufsteht, ist auch eine Atomuhr drin. Auch wenn im normalen Handel immer wieder Uhren mit dem Label „Atomuhr“ auftauchen, handelt es sich dabei meistens um einen Trick der Verkäufer. Damit sind dann nämlich Funkuhren gemeint, die sich nachts per Radiosignal anhand der Zeitvorgabe einer Atomuhr neu stellen. Innerhalb der nächsten 24 Stunden, also bis sich die Uhren erneut nach der Atomzeit richten, beträgt deren Abweichung nur Sekundenbruchteile. Das merkt man also gar nicht. Im zivilen Bereich haben echte Atomuhren daher kaum einen Nutzen, schließlich muss sich niemand auf die Nanosekunde genau wecken lassen.

Wenn Sie trotzdem gerne Ihre eigene Atomuhr zuhause haben möchten, müssen Sie dafür tief in die Tasche greifen und einige tausend Euro locker machen. Bei Anbietern wie atomic-time.com können Sie die Geräte (je nach Verfügbarkeit) kommerziell erwerben. Damit holen Sie sich aber vor allem ein Gadget für Technik-Fans nach Hause, der Präzisionsgewinn gegenüber einer einfachen Funkuhr oder gegenüber Ihrem Smartphone ist im Alltag praktisch nicht wahrnehmbar.

Sogar die Erde ist ungenau

Die Definition der Sekunde von alters her: Sie ist der 86.400ste Teil eines Tages. Das ist aber nicht korrekt, eine komplette Erdrotation ist minimal länger – zudem dreht sich die Erde zwar präziser als die Uhrwerke selbst der teuersten mechanischen Uhren, ist aber gegenüber Atomuhren höchst ungenau. Denn die Erdrotation ist Schwankungen ausgesetzt, so dass sich unregelmäßig die Notwendigkeit einer Schaltsekunde ergibt. Die letzte Schaltsekunde war am 31.12.2016 fällig, das Jahr endete mit der Uhrzeit 23:59.60. Im Jahr 2020 rotierte die Erde gar ein wenig schneller, sodass sie eine Zehntelsekunde gegenüber der bis dahin kumulierten Verspätung aufgeholt hat. Hält der Trend an, könnte eine negative Schaltsekunde fällig werden und eines der näcshten Jahre mit der Uhrzeit 23:59:58 enden, ehe die Uhr auf 00:00.00 springt.