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ATOMUHR - UHRZEIT FÜR DEUTSCHLAND



21:28:03
Am Dienstag, den 11. April 2023
Wie spät ist es genau? Warum ist die Atomuhr so genau? Wie funktioniert die
Atomuhr? Wo steht die Atomuhr?
Wie genau ist die Atomuhr? Sind Atomuhren radioaktiv? Seit wann gibt es
Atomuhren?


DIE UHRZEIT? WIEVIEL UHR IST ES?

Die Atomuhr weiß es besser. Auf jeden Fall besser als alle anderen Uhren, die
wir kennen. Sie beantwortet mit schier unglaublicher Präzision die Frage:


WIE SPÄT IST ES GENAU?

Denn wenn Du exakt wissen möchtest wie spät es in Deutschland ist, dann ist die
Atomuhr genau das richtige Werkzeug für Dich.

Präzise und exakt gibt Dir die Atomuhr Auskunft über die genaue Uhrzeit. Wenn
Du es wirklich mal ganz genau wissen musst: Beispielsweise in der Wissenschaft,
der Raumfahrt, als internationaler Referenzwert oder einfach nur, weil Du die
eigene Armbanduhr mal wieder auf die genaue Uhrzeit einstellen möchtest. Ok,
letzteres ist ein bisschen übertrieben, denn nach den Standards der Atomuhren,
geht im Moment nachdem Du die Armbanduhr gestellt hast, diese schon wieder nicht
genau. Bei der Armbanduhr geht es also mehr um eine für den Laien
nachvollziehbares Praxisbeispiel zur Nutzung der Uhrzeit der Atomuhr.

Auch zur Bestimmung der koordinierten Weltzeit (UTC) wird auf die Atomuhr
zurückgegriffen. Funkuhren werden ebenfalls über die von der Atomuhr
ermittelte Zeit gesteuert. Hierfür gibt es spezielle Zeitzeichensender, die
seit 2002 mit GPSTechnik arbeiten. In Deutschland ist dies der Langwellensender
DCF77 in Mainflingen.




WARUM IST DIE ATOMUHR SO GENAU?

Der Taktgeber macht's!

Die Atomuhr wird auch „Referenzuhr“ genannt, weil sie sich die physikalischen
Eigenschaften von Atomen zunutze macht. Atome sind daher der ideale Taktgeber,
solange sie in einer stabilen Umgebung gehalten werden.

Im Prinzip arbeiten alle Uhren mit einem Taktgeber: Bei der Quarzuhr ist es ein
Schwingquarz, bei mechanischen Uhrwerken die Unruh. Die dem mechanischen Prinzip
inhärente relative Ungenauigkeit machen diese Art Taktgeber jedoch, insbesondere
über längere Zeiträume hinweg, zu einem unzuverlässigen Werkzeug. Insbesondere,
wenn es auf höchste Genauigkeit ankommt, wie beispielsweise in der Raumfahrt.


WIE FUNKTIONIERT DIE ATOMUHR?

Hier kommt nun die Atomuhr ins Spiel. Als Taktgeber funktionieren Cäsiumatome,
die in einem Ofen verdampft werden. Man erreicht damit, dass sich die Atome in
ihren zwei möglichen energetisch tiefsten Zuständen befinden. Bei der
anschließenden magnetischen Bestrahlung werden die Atome nach ihrem Zustand
sortiert und getrennt.

Einer dieser beiden Zustände wird nun mittels Mikrowellenstrahlung im
sogenannten Hohlraumresonator dazu veranlasst den Zustand zu wechseln. Hierbei
verlassen sie den Resonator und werden erneut sortiert und die Atome, die ihren
Zustand gewechselt haben, werden in einer speziellen Kammer gesammelt. Nachdem
man die Frequenz bestimmt hat, bei der die meisten Cäsium-Atome gesammelt wurden
(also ihren Zustand gewechselt haben), wird diese Frequenz gehalten bzw. nach
9.192.631.770 Periodendauern ist eine Sekunde erreicht. Dies ist auch
gleichzeitig die heute und seit 1967 gültige Definition einer Sekunde.

Bis dahin wurde die Sekunde auf Basis astronomischer Messungen ermittelt. So
beispielsweise mit der sogenannten Sonnensekunde. Die Sonnensekunde ist als ein
Bruchteil (1/86 400) des mittleren Sonnentages definiert. Ziemlich genau, auch
wenn man heute eher sagen würde ziemlich ungenau.


WO STEHT DIE ATOMUHR?

Prinzipiell kann eine Atomuhr überall betrieben werden. Für Deutschland ist
dies die Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Dort
wurde 1969 die als CS1 bezeichnete Atomuhr in Betrieb genommen. Am 26.07.1978
wurde per Zeitgesetz die gesetzliche Zeitbestimmung durch die CS1 des PTB
definiert. Die CS1 wurde 1991 in ihrer Funktion durch ihren 1985 in Betrieb
genommenen Nachfolger CS2 abgelöst.

Es gibt noch weitere Atomuhren in Deutschland, die aber zum Teil ebenfalls von
der CS2 gesteuert werden: So in Mainflingen, in der Nähe von Frankfurt am Main.
Hier wird die Atom-Uhrzeit in Radiosignale umgewandelt, die, wie bereits zuvor
erwähnt, „dann ein Langwellensender, der "Zeitsignalsender DCF77", an alle
Funkuhren in Deutschland [sendet]: an die Bahnhofsuhren, die Uhren der Radio-
und Fernsehstationen - und an jeden Funkwecker im Umkreis von 2000 Kilometern.“
(Quelle: http://www.fluter.de/die-zeitmacher)


WIE GENAU IST DIE ATOMUHR?

Ziemlich genau. ;-) Die zuvor genannte CS2 des PTB in Braunschweig ist so genau,
dass es nach der gegenwärtigen Technik 30 Millionen Jahre dauern würde, bis sie
um eine Sekunde „falsch“ gehen würde! Aber selbst an dieser für den Laien doch
nahezu unerreichbar erscheinenden Genauigkeit wird weiter gefeilt und die
Forscher am PTB und auch weltweit arbeiten an immer genaueren Uhren.

Um diese doch etwas abstrakte Zeit von 30 Millionen Jahren etwas greifbarer zu
machen: Wenn man in der Erdgeschichte 30 Millionen Jahre zurückgeht, landet man
ungefähr in der Zeit der Erdgeschichte als größere Säugetiere, „kurz“ (drei
Millionen Jahre) bevor die Landbrücke zwischen Afrika und Eurasien entstand.
Und wohlgemerkt: In dieser Zeit weicht die Zeitmessung mittels der CS2-Atomuhr
lediglich um eine satte Sekunde ab! Ziemlich genau, oder?



Naja, kommt drauf an. Die neuesten Generationen von Atomuhren, wie die NPL-CsF2,
schaffen eine Abweichung von 729 Millionen Jahren. Das ist ungefähr der
Zeitpunkt an dem mit einfachen Schwämmen die ersten tierischen Lebensformen auf
der Erde entstanden sind.


SIND ATOMUHREN RADIOAKTIV?

Aufgrund der verwendeten Cäsium-Atome wird häufig angenommen, dass bei der
Verwendung von Atomuhren Radioaktivität im Spiel ist. Dem ist aber nicht so.
Cäsium-133-Atome sind nicht radioaktiv. Dies würde auch dem Zweck einer Atomuhr
zuwiderlaufen, denn radioaktive Atome zerfallen und wären demnach völlig
ungeeignet einen konstanten Wert zu bestimmen. Entscheidend ist ja, dass die
Atome immer wieder neu „gezählt“ werden können und dafür ist ein stabiler, und
damit vergleichbarer, Zustand unverzichtbar.

Darüber hinaus müssen nicht zwingend Cäsium-133-Atome verwendet werden. Es
gibt auch Atomuhren, die mit Rubidium oder Wasserstoff betrieben werden.
Wasserstoff wird allgemein weniger mit Radioaktivität assoziiert, wobei auch
dies möglich ist, wie beispielsweise bei Tritium. Entscheidend ist auch hier
wieder, dass die Isotope, die bei der Atomuhr verwendet werden stabil, also
gerade nicht radioaktiv, sind.


SEIT WANN GIBT ES ATOMUHREN?

Die erste Atomuhr wurde im Jahre 1949 konstruiert. Wenn auch nicht ihr
Konstrukteur, so gilt dennoch der Nobelpreisträger Isidor Isaac Rabi als
derjenige, der den Grundstein für die heutigen Atomuhren gelegt hat.

Bereits seit 1930 arbeitete er an Magnetresonanzverfahren (heute auch im Rahmen
der Kernspinresonanzspektroskopie allgemein geläufig), die dazu führten, dass
er 1944 den Nobelpreis für Physik erhielt und 1945 den Bau einer Atomuhr ins
Spiel brachte.

Vier Jahre später erfolgte die Umsetzung und die erste relativ „genaue“ Atomuhr
folgte dann 1955 am National Physical Laboratory in Großbritannien. Seitdem
wurden Atomuhren immer weiter verfeinert und erreichen heute eine für damalige
Verhältnisse ungeahnte Genauigkeit in der Zeitmessung.

Quellen:

 * http://tf.nist.gov/cesium/atomichistory.htm
 * https://de.wikipedia.org/wiki/Atomuhr
 * https://www.ptb.de/cms/ptb/fachabteilungen/abt4/fb-44/fragenzurzeit/fragenzurzeit13.html
 * http://www.fluter.de/die-zeitmacher

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