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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Wie genau gehen die Atomuhren der PTB

Für die beiden Caesium-Fontänen werden, wie es physikalisch korrekt heißt, die Unsicherheiten auf weniger als 4 x 10–16 (CSF1) bzw. 2 x 10–16 (CSF2) abgeschätzt. Im Laufe eines Jahres muss man also bei diesen Uhren mit einer Abweichung von höchstens 13 bzw. 6 milliardstel Sekunden relativ zu einer idealen Uhr rechnen. Zum Vergleich: Eine Quarzarmbanduhr irrt sich pro Monat um ein paar Sekunden, mechanische Armbanduhren – und seien sie noch so edel! – vertun sich um ein Vielfaches mehr! Beim Vergleich der Fontänen-Uhren untereinander werden die obengenannten Unsicherheits-Abschätzungen dadurch bestätigt, dass die beobachteten Abweichungen im Bereich von  0,01 Milliardstel Sekunde am Tag liegen.

Warum unterscheiden sich Atomuhren überhaupt im Gang voneinander und was bestimmt ihre Genauigkeit? In allen Caesiumuhren wird doch der gleiche atomare Übergang verwendet, dessen Frequenz definiert ist!

Die Definition nimmt Bezug auf ideale Bedingungen ungestörter Atome. In der Realität ist es nicht vollkommen zu vermeiden, dass verschiedene Einflussgrößen (z. B. die Temperatur oder Magnetfelder) auf die Atome wirken. Die Gesetzmäßigkeiten, wie sich welche Einflussgrößen auswirken, sind zwar im Prinzip bekannt. Da aber jede Messung einer Einflussgröße mit einer Messunsicherheit verbunden ist, können die entsprechenden Korrekturen nur mit gewissen Unsicherheiten vorgenommen werden. Diese zusammengenommen bestimmen dann die Gesamtunsicherheit einer einzelnen Atomuhr.

Für die Überprüfung der abgeschätzten Gesamtunsicherheit ist es nötig, möglichst mehrere andere zumindest "gleichgute" Uhren zur Verfügung zu haben und sie miteinander zu vergleichen. Diese Uhren sollten dann im Rahmen ihrer jeweiligen spezifizierten Gesamtunsicherheiten miteinander übereinstimmen.