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Heft 3: 50 Jahre atomare Definition der Sekunde

PTB-Mitteilungen 3/2017

Einführung

Jörn Stenger

Die Einheit der Zeit ist neben den Einheiten für Länge und Gewicht die historisch wohl wichtigste Einheit – unmittelbar erfahrbar und für das tägliche Leben notwendig. Es ist mehr als lohnenswert, sich anlässlich des fünfzigsten Jahrestages der aktuellen Definition der Einheit Sekunde mit der Historie, den Auswirkungen der Definition und möglichen zukünftigen Entwicklungen zu beschäftigen. Momentan steht das gesamte Einheitensystem (SI) vor einem Umbruch, und das hat viel mit der Definition der Sekunde zu tun.

Die zweite Teilung der Stunde.

Die zweite Teilung der Stunde.

 Zur Geschichte der Sekunde

Johannes Graf

Der berühmte braunschweiger Mathematiker und Naturwissenschaftler Carl Friedrich Gauß hat sich große Verdienste um die Standardisierung von Maßen und Gewichten erworben, denn 1831/1832 entwickelte er zusammen mit Wilhelm Eduard Weber das Centimeter-Gramm-Sekunde- System. Er gab damit die Blaupause für spätere Systeme von Basiseinheiten vor. Schon bei Gauß bildete die Sekunde die Grundlage der Zeitmessung. Doch anders als vor genau fünfzig Jahren, als die SI-Sekunde über die Schwingungen des Caesium-Atoms definiert wurde, hatte Gauß die Sekunde nicht direkt bestimmt, sondern von größeren Zeiteinheiten lediglich abgeleitet. Bis in die 1950er-Jahre galt, was er bereits Anfang der 1830er-Jahre vorgeschlagen hatte: Die Sekunde sei der 86.400ste Teil eines mittleren Tages, also der Drehung der Erde um sich selbst. Wie sich die Definition und Bestimmung der Sekunde im Lauf der Geschichte entwickelte, soll im Folgenden beschrieben werden.

Atomare Definition der Zeiteinheit 1967– 2017

Atomare Definition der Zeiteinheit 1967– 2017

Andreas Bauch

définition du mètre, basée sur la longuer d’onde d’une radiation lumineuse. Voici que vous allez, au cours de cette session, rechercher dans la profondeur de l’atome l’étalon de définition du temps, celui de la seconde. Vous nous offrez un beau sujet de méditation; la mesure de la course des étoiles dans un cosmos infiniment grand, à l’aide de la vibration d’un atome infiniment petit !»

„Sie haben bereits der Welt eine neue Definition des Meters zur Verfügung gestellt, die auf der Wellenlänge einer Lichtstrahlung beruht. So werden Sie im Verlauf dieser Sitzung in der Tiefe des Atoms das Normal für die Definition der Zeit –die Sekunde – erforschen. Sie bieten uns ein schönes Thema zum Reflektieren: die Messung der Sternenbahnen in einem unermesslich weiten Kosmos mithilfe der Schwingung eines unendlich kleinen Atoms!”

NPL’s Contribution to the Introduction of the Caesium Second

NPL’s Contribution to the Introduction of the Caesium Second

Peter Whibberley

For centuries timekeeping was the preserve of astronomers. The fundamental unit of time measurement was the day, sub-divided by clocks for everyday use into hours, minutes and seconds. By the early 20th century, clocks were sufficiently stable to indicate that the length of the mean solar day varied, though their lack of intrinsic accuracy (the rate of a clock depended on its mechanical properties) ensured that the Earth’s rotation remained the global reference standard for timekeeping.

This situation changed fundamentally in June 1955, when Louis Essen and Jack Parry brought the first caesium atomic clock into operation at the National Physical Laboratory, in Teddington, UK. The atomic clock not only provided a much more stable timekeeper than the Earth’s rotation; its reference was the frequency of an atomic transition - a fundamental constant of nature, determined by the laws of quantum mechanics. As a result all caesium clocks will run at essentially the same rate, limited only by noise processes and their local environment, regardless of time or place.

A Historical Review of U. S. Contributions to the Atomic Definition of the SI Second

A Historical Review of U. S. Contributions to the Atomic Definition of the SI Second

Michael A. Lombardi

The second, the base unit of time interval, is one of the seven base units in the International System (SI). Because time interval and its reciprocal, frequency, can be measured with more resolution and less uncertainty than any other physical quantity, the second holds a place of preeminence in the world of metrology. The precise realization of the SI second that we benefit from today was made possible by the development of atomic frequency standards and clocks; devices that fundamentally changed the way that time is measured and kept. Before atomic clocks, the second was defined by dividing astronomical events, such as the solar day or the tropical year, into smaller parts. This permanently changed in 1967, when the SI second was redefined as the duration of 9 192 631 770 periods of the electromagnetic radiation that causes ground state transitions in the cesium atom [1]. The new definition meant that seconds were now measured by counting oscillations of electric fields that cause atoms to change state, and minutes and hours were now multiples of the second rather than divisions of the day.

Atomuhren und Navigation mit Satelliten-Systemen (GNSS)

Atomuhren und Navigation mit Satelliten-Systemen (GNSS)

Gerhard Beutler

Im Jahr 2017 wird der fünfzigste Jahrestag der derzeit gültigen Definition der SI-Sekunde gefeiert. Das Ereignis ist der Anlass zum vorliegenden Band der Mitteilungen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braunschweig und Berlin – und damit auch zu diesem Beitrag.

Das Ereignis sollte im Kontext von drei anderen Entwicklungen gesehen werden: Dem ersten künstlichen Erdsatelliten „Sputnik 1“, dem ersten Satelliten-Navigationssystem „Transit“ und der Very Long Baseline Interferometry (VLBI).

Einstein und die Zeit

Einstein und die Zeit

Claus Kiefer

Wie kaum ein anderer Name ist der von Albert Einstein (1879 bis 1955) mit dem modernen Weltbild der Physik verbunden. Seine Spezielle und seine Allgemeine Relativitätstheorie bilden zusammen mit der Quantentheorie die Grundlage unseres physikalischen Weltverständnisses. Unsere Vorstellungen von Raum und Zeit haben durch seine Arbeiten eine wesentliche Entwicklung erfahren, was auf die Zeit vielleicht noch mehr zutrifft als auf den Raum.

Was ist das Wesen des Einstein’schen Zeitbegriffs? Und ist zu erwarten, dass dieser eine weitere Wandlung erfahren wird? Unsere Auffassung von dem, was wir Zeit nennen, hat sich im Laufe der Jahrhunderte stetig verändert, beeinflusst natürlich durch Entwicklungen im Denken allgemein und in den Wissenschaften im Besonderen. Diese Entwicklungen sind noch nicht an ihr Ende gelangt.

Auf dem Weg zu einer Neudefinition der Sekunde: Was kommt nach Caesium?

Auf dem Weg zu einer Neudefinition der Sekunde: Was kommt nach Caesium?

Ekkehard Peik

Große Fortschritte in der Entwicklung der sogenannten optischen Uhren lösten bereits vor einigen Jahren die Diskussion über eine Neudefinition der Sekunde aus. Unterschiedliche Prototypen solcher Uhren sind in mehreren Laboratorien entwickelt worden, und die besten Experimente haben dabei eine Stabilität und Genauigkeit der Frequenz erreicht, die primäre Caesiumuhren um etwa zwei Größenordnungen übertrifft. Schon mehrmals ließen sich erhebliche Verbesserungen in der Technik der Zeitmessung an der Einführung einer neuen Generation von Uhren festmachen, die jeweils bei deutlich höherer Taktfrequenz arbeitete als ihre Vorgänger. Angefangen von Sonnenuhren, Sand- oder Wasseruhren (mHz), über mechanische Uhren mit Pendeln oder Federn (Hz), zu Quarzuhren (kHz), den ersten Atomuhren (GHz), bis hin zu den optischen Atomuhren, die mit einer Frequenz von sichtbarem oder ultraviolettem Licht (1015 Hz) arbeiten.

Empfangssystem für glasfasergeführtes ultrapräzises Frequenzsignal

Empfangssystem für glasfasergeführtes ultrapräzises Frequenzsignal

Eine PTB-Erfindung ermöglicht die Übertragung des Signals eines ultrastabilen Single-Frequency-Lasers über große Entfernungen in normalen Telekommunikationsglasfasern. Die Erfindung löst das Problem des Anschlusses einer großen Anzahl von Kunden an eine einzige Faserstrecke. Die Erfindung stellt zugleich einen bedeutenden Schritt zur Übertragung des Zeitsignals einer optischen Uhr dar (Atomuhr aus der Steckdose).

Optisches Phasenrausch- Messgerät

Optisches Phasenrausch- Messgerät

Viele Lasersysteme erreichen mittlerweile Linienbreiten im Bereich weniger kHz, sodass deren Phasenrauschen nur schwer zu charakterisieren ist. Ohne weiteren Zusatzlaser generiert die PTB-Erfindung mittels einer hochstabilen externen Kavität das Bezugssignal für die Messung selbst.

Spiegelbauteil für ultrastabile Resonatoren

Spiegelbauteil für ultrastabile Resonatoren

Ein neuartiges Spiegel-Konzept für Fabry-Perot-Resonatoren führt durch eine entscheidende Verringerung des thermischen Rauschens zu einer höheren Frequenzstabiliät des Resonators bei geringerem Aufwand für die Temperaturstabilisierung. Die Kombination aus Design und Materialauswahl führt zu einer relativen Frequenzstabilität im Bereich von 10–16. Dabei lässt sich das Spiegelbauteil einfach und kostengünstig fertigen.

Langzeitstabiler Single-Frequency Laser

Langzeitstabiler Single-Frequency Laser

Schmalbandige Laser mit extrem kleinen Bandbreiten finden zunehmend Anwendung in der Spektroskopie, der Metrologie, der Astrophysik und der Ultrapräzisionsmesstechnik. Hier werden inzwischen Linienbreiten ≤1 Hz routinemäßig erreicht. Die Langzeitstabilität solcher Systeme war bisher gar nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand zu realisieren. Durch die patentierte Kopplung an eine Radioquelle hoher Stabilität bietet die PTB hierfür jetzt eine technische Lösung.