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Das Internationale Einheitensystem (SI)

Die Sekunde

„Wie spät ist es?“ lautet die wohl am häufigsten gestellte Frage weltweit. Für die Antwort benötigt man nicht unbedingt eine so präzise Uhr, wie sie das Bild am Anfang dieses Textes zeigt. Aber ja, auch das ist strenggenommen „nur eine Uhr“ bzw. Teile einer Uhr. Der aktuelle Stand einer langen Reihe von Entwicklungen immer genauerer Uhren, welche die Menschheit im Laufe der Zeit hervorgebracht hat. Seitdem menschliche Gesellschaften versuchen,  miteinander zu kooperieren, faszinierte sie das Thema der Zeitmessung. Heißen wir unsere Einheit des Monats März und die SI-Einheit für die Zeit willkommen: die Sekunde!

Zeitmessung – Von solar bis quantenmechanisch
Die ersten Messgeräte zur Bestimmung der Zeit, also Uhren, waren Sonnenuhren. Die Ausführungen variierten von monumentalen ägyptischen Obelisken bis hin zu kleineren, tragbaren und sogar taschentauglichen Versionen. Solaruhren haben allerdings einige Mängel: Sie funktionieren nur bei Sonnenschein, der Breitengrad und – besonders bei tragbaren Versionen – auch die richtige Orientierung zur Sonne müssen berücksichtigt werden.

Eine weitere historische Methode zur Zeitmessung war die Verwendung von Wasseruhren. Diese maßen die Zeit mithilfe des Wasserflusses, waren somit unabhängig vom Sonnenschein, aber hatten wiederum andere Nachteile: Sie benötigten beispielsweise einen gleichmäßigen Wasserdruck, damit der Durchfluss konstant blieb.

Mechanische Uhren wurden in Europa ab dem 13. Jahrhundert entwickelt. Diese Uhren nutzten mechanische Energie, die in einer Feder oder einem Gewicht gespeichert war. Jahrhundertelange Weiterentwicklungen gipfelten in der Shortt-Uhr, der genauesten Pendeluhr, die je kommerziell hergestellt wurde und zwischen den 1920er und 1940er Jahren den höchsten Ansprüchen an die Zeitmessung genügte.

In den 1930er Jahren begann die Ära der Quarzoszillatoren als Basis für die Messung der Zeit. Quarzkristalle sind piezoelektrisch, ein Wort, das sich von den griechischen Wörtern πιέζω (piézo, pressen oder drücken) und ήλεκτρ (élektro, Bernstein {1}) ableitet. Durch mechanischen Druck wird eine elektrische Spannung am Quarz erzeugt. Auch das Gegenteil trifft zu: Das Anlegen einer Spannung führt zu einer Verformung des Kristalls. Das Anlegen einer Wechselspannung am Quarz verursacht mechanische Vibrationen. Man könnte sagen, dass ein Quarzkristall dabei eine bestimmte „Lieblingsfrequenz“ hat, mit der er schwingt, die sogenannte Eigenfrequenz. Auf diese Eigenfrequenz lässt sich die angelegte Wechselspannung abgleichen. Die so stabilisierte Wechselspannung ist dann das „Zählwerk“ der Uhr. Typische moderne Quarzuhren gehen heute auf etwa eine Sekunde pro Tag genau; die genauesten Quarzuhren gehen innerhalb von 20 bis 30 Jahren nur etwa eine Sekunde falsch.

Noch genauer als Quarzuhren gehen sogenannte Atomuhren. Sie basieren auf Quantenphänomenen in Atomen, die Änderungen von atomaren Energien nur um bestimmte, gestufte Werte (Quanten) zulassen. Diese gestufte (gequantelte) Änderung der Energie geht einher mit dem Aussenden von elektromagnetischer Strahlung mit dazugehörigen festen Frequenzen.

Die erste auf einem Übergang des Cäsium-Isotops 133Cs beruhende Atomuhr wurde 1955 am National Physical Laboratory in Großbritannien gebaut. Das Cäsium-Atom, dessen Frequenz im Mikrowellenbereich etwas über 9 GHz liegt, wird nach wie vor für die Sekundendefinition verwendet (s. u.). Die besten Cäsium-Atomuhren erreichen heute Genauigkeiten, die einer Abweichung von einer Sekunde in 180 Millionen Jahren entsprechen. Verbesserte Uhren, deren Frequenzen im optischen Bereich liegen, befinden sich gerade in der Entwicklung. Erreicht wurden bereits Genauigkeiten, die Abweichungen von einer Sekunde in 30 Milliarden Jahren entsprechen.

Die Definition der Sekunde
Im Rahmen der Meterkonvention {2} war die Sekunde lange Zeit als ein Bruchteil des mittleren Sonnentages definiert, wobei die Definition für den „mittleren Sonnentag“ der Astronomie überlassen wurde. Eine Sekunde betrug demnach 1/86 400 dieses mittleren Sonnentages. 1960 wurde im Rahmen der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM, {3}) die Sekunde als Bruchteil eines tropischen Jahres neu definiert {4}. Nach der neuen Definition dauerte dieses tropische Jahr genau 31 556 925,9747 s.

Nach der Entwicklung von Atomuhren gab es im Jahr 1967 eine neue und konzeptionell gänzlich andere Definition für die Sekunde. Diese Definition galt bis Mai 2019 und lautet:

Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung.

Ab dem 20. Mai 2019 wird die Sekunde wie folgt neu definiert:

Die Sekunde, Einheitenzeichen s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie ist definiert, indem für die Cäsiumfrequenz ΔνCs, der Frequenz des ungestörten Hyperfeinübergangs des Grundzustands des Cäsiumatoms 133, der Zahlenwert 9 192 631 770 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit Hz, die gleich s–1 ist.

Physikalisch-technisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen den beiden Definitionen. Mikrowellen-Cäsiumstrahlung wird weiterhin mit der gleichen definierten Frequenz als Bezugsgröße für die Dauer einer Sekunde verwendet. Der Wortlaut wurde jedoch so umgestaltet, dass alle Definitionen der SI-Basiseinheiten nach der Neudefinition dem gleichen Konzept folgen: Der numerische Wert der Naturkonstante in Kombination mit bestimmten Einheiten ist festgelegt, daraus ergibt sich die Definition der Einheiten.

Zeit und ihre Messung im heutigen Alltag
Die Messung der Zeit und die Einteilung in Zeitabschnitte ist in unserem Alltag allgegenwärtig:Arbeits- und Schulzeiten, Ladenöffnungszeiten, Fahrpläne, Termine und Verabredungen – alles wird eingefügt auf der Achse der Zeit. Manch alltägliche Anwendungen erfordern eine sehr präzise und weltweit koordinierte Zeitmessung, ohne dass uns das unmittelbar bewusst ist. Wenn es keine genaue Zeitmessung gäbe, würde GPS nicht funktionieren. Auch die Kommunikation über Mobilfunknetze und mittels Internet benötigt präzise abgestimmte Zeitmessungen.

Das World Wide Web feierte Anfang März dieses Jahres seinen 30. Geburtstag. Am 12. März 1989 – also vor über 947203200 Sekunden – wurde am CERN erstmals die Idee für das Software-System vorgestellt, welches heute die Grundlage für „unser Internet“ ist.

Ungefähr 950 Millionen Sekunden später (also heute) werden über das WWW innerhalb einer Sekunde über 900 Fotos auf Instagram hochgeladen, gibt es über 1500 Tumblr-Posts, ca. 3700 Skype-Anrufe, über 8400 Tweets, werden fast 70000 GB Daten geteilt, über 73000 Suchanfragen bei Google gestellt, ca. 78000 Videos auf Youtube angeklickt und fast 3 Millionen Emails verschickt. [Quelle: Opens external link in new windowwww.internetlivestats.com]

Innerhalb einer Sekunde...

Wie bereits beim Ampere hat auch in diesem Monat eine Kollegin des polnischen Nationalen Metrologieinstituts, des GUM, den Text für den Countdown zum neuen SI geschrieben.

{1} Der Verknüpfung zwischen Bernstein und Elektrizität sind wir bereits bei unserer Einheit des Monats Januar begegnet. Die antiken Griechen führten Versuche zur statischen Elektrizität durch und beobachteten, dass Bernstein kleine Objekte anzieht, z. B. Haare oder Staub, nachdem man ihn an einem Stück Fell gerieben hat.

{2} Die Meterkonvention ist ein internationaler Vertrag, der am 20. Mai 1875 von 17 Staaten unterzeichnet wurde und der zum Ziel hat, sich auf internationaler Ebene auf ein einheitliches, metrisches Einheitensystem zu einigen und dieses zu verwenden. Der Vertrag besteht bis heute und hat inzwischen 59 Mitgliedsstaaten. Das Internationale Einheitensystem (Système international d’unités, kurz SI) ist ein Bestandteil dieses Vertrages und wurde 1960 eingeführt.

{3} Bei der Generalkonferenz für Maße und Gewichte (Conférence Générale des Poids et Mesures, kurz CGPM) treffen sich alle vier Jahre Delegierte der Mitgliedsstaaten der Meterkonvention {2}. Bei diesen Treffen werden die neuesten Entwicklungen und Bedürfnisse in der Welt des (internationalen) Messens diskutiert und bei Bedarf – und nach ausgiebiger Vorbereitung – Änderungen beschlossen, z. B. für die Definition von Einheiten.

{4} Das tropische Jahr, auch Sonnenjahr genannt, ist die Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen der Sonne durch den Frühlingspunkt  (Quelle: Opens external link in new windowwww.spektrum.de). Für die Definition der Sekunde im Jahre 1960 wurde die Dauer des tropischen Jahres von 1900 als Referenz verwendet.

„Vive la 10!“

Dezimaluhr
Foto: Privat. Aufgenommen im Musée des arts et métiers, Paris

Die Französische Revolution brachte nicht nur politische Neuerungen mit sich. Auch die Welt des Messens sollte unabhängig von Herrschern werden. Deshalb war ab 1791 nicht mehr der königliche Arm das Standardmaß für die Länge, sondern der neu eingeführte Meter. Dessen Länge wurde per Gesetz als der 10 000 000te Teil eines Quadranten des Erdmeridians festgelegt. Der Liter wurde als Volumen eines Würfels mit der Kantenlänge von 1/10 Meter × 1/10 Meter × 1/10 Meter festgelegt und das Kilogramm als die Masse von einem Liter Wasser. Am 22. September 1792 wurde in Frankreich auch die Zeit per Gesetz auf eine dezimale Basis gestellt: Der Tag dauerte von nun an 10 Stunden, jede Stunde hatte 100 Minuten, und eine Minute bestand aus 100 Sekunden. Diese Idee setzte sich jedoch nicht durch. Am 7. April 1795 kehrten auch die Franzosen wieder zum 24-Stunden-Tag zurück.

Ein wenig Zeitgeschichte

Seit Jahrtausenden ist es den Menschen ein Bedürfnis, die Zeit zu messen. Natürliche Zeiteinteilungen, wie der Wechsel von Tag und Nacht oder der Jahreszeiten, hatten für sie schon immer eine große Bedeutung. Vermutlich waren es die antiken Ägypter, die als erste Zivilisation astronomische Beobachtungen für ihre Zeitmessung nutzten, indem sie Sonnenuhren verwendeten und so mithilfe der Bewegung eines Schattenzeigers (Gnomon) den Tag in messbare Abschnitte aufteilten.

Um das dritte Jahrtausend v. Chr. teilten die Sumerer den gesamten Tag inklusive Nacht in 12 Abschnitte. Zum Zählen verwendeten sie das Sexagesimalsystem (Wert 60). Anstatt mit allen zehn Fingern - wie beim Dezimalsystem - zählten sie mit Fingergelenken (abzüglich der Daumen), von denen es 12 an jeder Hand gibt. Praktisch ist die Zahl 12 auch deshalb, weil sie durch 2, 3, 4 und 6 teilbar ist.

Die Einteilung des ganzen Tages in 24 Stunden verdanken wir wohl den alten Babyloniern, ebenso wie die Aufteilung der Stunde in 60 Minuten. Im zweiten Jahrhundert n. Chr. führte Ptolemäus das Konzept der Breiten- und Längengrade ein, ausgedrückt in Winkelgraden im kartographischen System. Dieses ist in Winkelgrade mit 60 gleichen Teilen unterteilt – "pars minuta minor" (verminderter Teil bzw. Bogenminute). Jeder Teil wurde weiter in 60 gleiche Teile unterteilt, die als "pars minuta secunda" (zweiter verminderter Teil bzw. Bogensekunde) bezeichnet wurden.

Zeitskalen

Da wir weltweit immer mehr miteinander kommunizieren und Handel treiben, ist es nicht nur praktisch, sondern auch wichtig, eine einzige gemeinsame Zeitskala in der Welt zu haben. Atomuhren sind sehr genau, aber man kann sich nicht vollständig darauf verlassen, dass eine einzige Uhr die Zeit für die ganze Welt regelt. Um eine einheitliche Zeitskala zu schaffen, beschloss man, mehrere Uhren auf der ganzen Welt miteinander zu vergleichen. Die auf dem gemittelten Wert basierende Zeitskala wird als Internationale Atomzeit (TAI) bezeichnet; ihre Realisierung wird vom Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) in Paris koordiniert.

Da die Erdrotation und die Bahn der Erde um die Sonne keinen direkten Bezug zu atomaren Eigenschaften haben, treten Diskrepanzen zwischen TAI und der astronomischen Zeit auf. Insbesondere geht die astronomische Zeit langfristig aufgrund der Abbremsung der Erdrotation gegenüber TAI, d.h. den Atomuhren, mehr und mehr nach. Um eine mit der mittleren Sonnenzeit am Nullmeridian abgestimmte einheitliche Zeitskala zu erhalten, wurde die Koordinierte Weltzeit (Universal Coordinated Time) UTC eingeführt. Diese ergibt sich aus TAI durch das Einfügen von gegenwärtig 37 Schaltsekunden. 1972 wurde beschlossen, dass UTC in allen Ländern als Basis für die offizielle Zeit dienen soll.

Schalttage und Schaltsekunden

Das tropische Jahr, das von der Umlaufbahn der Erde um die Sonne abhängig ist, dauert etwa 365,25 Tage. In unseren Kalendern hat das Jahr allerdings nur ganze Tage, und davon meistens 365. Deshalb haben wir alle vier Jahre ein Schaltjahr mit 366 Tagen, um das Kalenderjahr mit einem tropischen Jahr abzugleichen.

Von Zeit zu Zeit hat die Minute 1 Sekunde mehr, die sogenannte Schaltsekunde, die eingefügt wird, um die Atomzeit mit der Sonnenzeit zu synchronisieren. Seit der Einführung von UTC am 1. Januar 1972 gab es 27 Schaltsekunden – anfangs mit einer Verzögerung von 10 Sekunden gegenüber der Internationalen Atomzeit (TAI); die letzte am 31. Dezember 2016 um 23:59:60 UTC. Die Entscheidung, wann eine Schaltsekunde eingefügt werden soll, wird vom Internationalen Dienst für Erdrotation und Referenzsysteme (IERS) getroffen. Am nächsten Neujahrstag müssen Sie Ihre Feier aber wahrscheinlich nicht unterbrechen, da bisher keine Schaltsekunde für 2019 angekündigt wurde.