Entwicklung der Genauigkeit von Zeit- Messungen

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1 Entwicklung der Genauigkeit von Zeit- Messungen ANSELM KÜHL (TU BAF) Als Gott die Zeit erschuf, gab er den Afrikanern die Zeit und den Europäern die Uhr. (Unbekannt) Viele hundert Jahre lang war die Grundlage unserer Zeit- Messung die Drehung der Erde um ihre Achse. Im Altertum beruhte die Bestimmung der Uhr-Zeit auf tatsächlichen Beobachtungen der Sonne und der Sterne mit Hilfe von Schattenuhren, Sonnenuhren, Astrolabien und Sternuhren. Alle Uhren sind in Wesentlichen mechanische Modelle der Erde. D.h. diese Modelle versuchen, einen speziellen Aspekt der Anordnung von Erde, Sonne und Sternen oder genauer von deren relativen Bewegungen untereinander nachzuahmen. Sie versuchen nämlich, den fortlaufenden Zyklus von Tag und Nacht zu erzeugen. Die Uhrmacher- Kunst besteht seit jeher in dem andauernden Bestreben, eine mechanische Vorrichtung herzustellen, welche mit immer größerer Genauigkeit mit der Erde im Takt bleiben kann. Nach Jahrhunderte langer Entwicklung gibt es heute Uhren, welche genauer sind als die regelmäßige Drehung der Erde selbst. Diese sind keine mechanischen Instrumente mehr, sondern elektronische Vorrichtungen, welche die Schwingungen von Atomen verfolgen. In Verbindung mit genauen Untersuchungen der Zeit- Punkte von Sonnen- und Mond- Finsternissen, welche im Altertum stattfanden, haben die Atomuhren gezeigt, dass sich die Erddrehung um ihre Achse verlangsamt, u.a. durch: Die Abbremsung der Erdrotation erfolgt u.a. durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne, welche die Gezeiten-Reibung in Form von Ebbe und Flut verursachen. Die zyklisch diskontinuierlich bewegten Wassermassen des Pazifik und Indik infolge des El Niño - Effektes. Sogar durch den herbstlichen Blätterfall auf der Nordhalbkugel mit ihrer disproportionalen Ballung von Landmassen bewirkt eine unmerkliche, halbjährliche Abbremsung der Erd-Rotation. Aber auch die Abbrems-Rate ist nicht konstant, denn es kommt zu gelegentlichen plötzlichen, unerwarteten Verschiebungen und Sprüngen, welche auf Grund von Massen- Verlagerungen durch Konvektions-Walzen im oberen Erdmantel und die Platten-Tektonik, d.h. die Drift der Lithosphären-Platten bedingt ist. 1

2 Am einfachsten ist es, über Zeit- Messungen und Kalender der verschiedensten kulturhistorischen Epochen zu sprechen, da diese selbst wiederum zivilisatorische Leistungen markieren und Ausdruck der Entwicklung der Geistes- und Produktivkräfte der Menschheit waren und sind. Dazu eine zusammenfassende: Übersicht über die Entwicklung der Genauigkeit von Zeitmessungen: Von der SONNEN- UHR zur ATOM- UHR << Am Beginn wissenschaftlicher Arbeit stehen Konfusion, unzureichende Definitionen und Motivationen, die meist völlig andere sind als jene, die sich später entwickeln, wenn man der Lösung näher kommt. >> William H. Calvin (1991) << Wie der Schamane den Mond stahl >> Es folgt eine Kurve der Entwicklung der Genauigkeit von Zeitmessungen (nach ERIKA SCHOW, << maßstäbe >> H. 6, 2005, PTB: ZUNAHME der GANG- GENAUIGKKEIT von UHREN in den letzten JAHREN GANG- FEHLER Uhrentypen unterschiedlichsten Zeitalters unterschiedlichster Funktionsweise und unterschiedlichster Genauigkeit d = Tag GESCHICHTLICHE ZEIT n. d. Z. ~ 17 Min./d Aufgrund der logarithmischen Ordinaten- Skala der Genauigkeiten handelt es sich um eine Potenz-Funktion der Genauigkeits- Zunahme über die (euklidische) Linear-Skala der Zeit. Fazit: 2

3 Immer genauer: Die Genauigkeit von Zeit- Messungen ist in Anpassung an die jeweiligen Bedürfnisse in den letzten 1000 Jahren nicht um das 13-fache, sondern um 13 Zehner- Potenzen gestiegen. Zuerst tüftelten die Uhr- Macher immer bessere mechanische Uhren aus. Dann kamen die Quarz-Uhren, bei denen auch ein mechanischer Körper schwingt. Aber hier werden die Schwingungen elektrisch angeregt und ausgezählt. Zudem schwingt der Quarz viel schneller als ein einfaches Schwing- Pendel oder ein Dreh- Pendel, eine Unruh. Dann verlassen die Uhren-Bauer die Welt die klassischen Physik und tauchen gewissermaßen in die Quanten-Welt ein: Dabei nutzen sie die noch viel schnelleren Vorgänge im Innern von Atomuhren. Infolge dessen schnellt die Genauigkeit der Uhren exponentiell in die Höhe: Die derzeit besten Atomuhren, die Cäsium- Fontänen, müßten 30 Mio Jahre laufen, bis eine Gangfehler von einer Sekunde eingeschlichen hätte. Frage: Was ist eigentlich eine Uhr? Sie ist etwas, das einen periodischen Vorgang zählt. Ein solcher periodischer Vorgang ist die Drehung der Erde um sich selbst. Zunächst glaubte man, die Drehung sei absolut regelmäßig. Das stimmt - bezogen auf die absolute Genauigkeit der Zeit- Messung - nicht! Die Sonnenuhren haben ihren eindeutigen Nachteil, dass sie bei Wolken und Nacht nicht funktionieren. Aber sie sind - neben wenigen einfachen technischen Hilfsmitteln - die einzigen, welche die Drehung der Erde direkt zählen. Durch sie wurde die Tages- Länge festgelegt, woraus später - als Grund- Einheit der Zeit - die Länge der Sekunde abgeleitet wurde. Eine Sekunde ist - nach kultureller Absprache - der te Teil des Tages. Die Entwicklung der Uhren lief gewissermaßen daneben ab: Man versuchte, die irdische Sekundenlänge möglichst gut zu treffen, indem man andere fassbare periodische Abläufe zählte, z. B. das Tropfen von Wasser von einem Gefäß in ein anderes. Zu den zivilisatorischen Zeit- Marken, welche die Zeitmess-Geräte selbst darstellen: 3

4 Pendeluhr von Christian Huygens (Pendelschwinger) Wasseruhr China Räderuhr (horizontaler Federschwinger) (1) Wasser- Uhr, Zeitpunkt 1094 v. d. Z.: Ab etwa 1500 v. Z. gibt es Wasser-Uhren in den verschiedensten Formen: Von den ganz schlichten Wassergefäßen bis hin zu der riesigen chinesischen Wasseruhr, welche im Jahre 1094 v. u. Z. von SU SONG gebaut wurde. Doch die Genauigkeit der Wasser-Uhren ist nicht allzu groß: Sie gehen pro Tag etwa eine Viertelstunde falsch. (2) Dann kommt eine geniale Erfindung in die Welt: Die Hemmung: Sie ist ein trickreicher Mechanismus, um die gleichmäßige Drehung eines Rades zu stoppen. Dabei werden das kontinuierlich angetriebene Rad in regelmäßigen Abständen kurz gestoppt und die Umlauf- Perioden gezählt. Die mechanische Räder-Uhr ist geboren. (3) Pendeluhr von CHRISTIAN HUYGENS 1673: CHRISTIAN HUYGENS konstruierte eine Pendeluhr auf der Grundlage einer Idee von GALILEO GALILEI, welche er noch wesentlich verbesserte. Mit jeder neuen Idee eines pfiffigen Uhrmachers steigt die Genauigkeits-Kurve etwas weiter an. (4) Harrison-Chronometer 1759: Das Problem der Längengrad-Bestimmung - ein Kardinal- Problem für die koordinatenmäßige Orientierung bei dem sich entwickelnden Welt- Schiffs-Verkehr - kann, so glaubten Newton und andere Wissenschaftler, nur von einem Astronomen gelöst werden, weil die Uhren nicht genau genug sind. Dies stimmt nicht, wie ein Tischler bewies, welcher sich die Uhrmacher-Kunst selbst beigebracht hatte: JOHN HARRISON baute die ersten Uhren, welche an Bord eines Schiffes pro Tag weniger als eine Sekunde falsch gehen. Sein HARRISON-Chronometer No. 4 ging nach einer Jamaika-Segelreise nur 5 Sekunden falsch. Damit gewinnt Harrison letztlich den von der britischen Regierung ausgesetzten Preis von Pfund (= Goldmark). 4

5 erste Atomuhr von Harold Lyons (Ammoniak- Moleküluhr) Quarzuhr von Adolf Scheibe und Ulrich Adelsberger Präzisionsuhr von Clemens Riefler (5) Präzisions-Uhr von CLEMENS RIEFLER 1920 Sie gehört mit einer Abweichung von wenigen tausendstel Sekunden pro Tag zu den besten mechanischen Uhren, welche jemals gebaut wurden. Nun ist das Prinzip der mechanischen Uhren ausgereizt. Wie auf anderen Gebieten der Technik auch, bricht das elektrische Zeit-Alter an. (6) Quarz-Uhr von Adolf Scheibe und Ulrich Adelsberger Die Quarzuhr wird geboren. Schwang das Pendel der Riefler-Uhr einmal pro Sekunde, so schwingt ein Quarz-Piezo-Kristall mal pro Sekunde. Diese wurde gebaut in der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt Berlin, der Vorgängerin der Physika-lisch- Technischen Bundessanstalt Braunschweig(PTB). Quarzuhren gehen pro Tag nur etwa 200 Mikrosekunden (= 2* 10-6 s) falsch. Mit diesen Uhren gelingt es erstmals, die Schwankungen der astronomischen Tageslänge nachzuweisen: Die Erd-Rotation liefert kein genügend genaues Zeitmaß. Es werden erste Überlegungen angestellt, ob man nicht die Definition der Sekunde verändern sollte. (7) Erste Atom-Uhr von Harold Lyons am NBS, USA 1949 Währenddessen werden folgende Überlegungen angestellt: Die Nutzung noch schnellere periodische Vorgänge, um die Zeit zu quanteln z. B. die Vorgänge im Innern von Molekülen und Atomen. Lyons baut die erste Atomuhr der Welt. Genau genommen ist es eine Ammoniak-Molekül-Uhr. Sie brachte jedoch nicht den erhofften Genauigkeits- Gewinn, denn sie ist kaum besser als eine Quarz-Uhr. 5

6 Cäsium- Fontänenuhr der PTB 1999 erste Cäsium- Fontänenuhr des Laboratoire Primaire du Temps de Frequences (LPTF) in Paris 1994 Atomuhren - Entwicklung in der Physikalisch- Technischen Versuchsanstalt Braunschweig (PBT) 1969 bis 1992 erste Cäsium- Uhr von Louis Essen und John Parry 1955 (8) Erste Cäsium-Uhr von Louis Essen und John Parry 1955 LOUIS ESSEN UND JOHN PARRY vom englischen National Physical Laboratory (NPL) bauen die weltweit erste funktionierende Cäsium- Atomuhr. Trotzdem wird die Sekunde paradoxerweise noch einmal nach astronomischen Gegebenheiten definiert: Die Ephemeriden-Zeit ist definitionsgemäß eine streng gleichförmig ablaufende Zeit entsprechend den Gesetzen der Himmels-Mechanik. Man erhält sie aus einem Vergleich der beobachteten scheinbaren Örter der Sonne und des Mondes mit den auf Grund der Bewegungs-Gleichungen der Himmels- Mechanik berechneten Örtern, also den Ephemeriden der Sonne und des Mondes passt man dann die Definition der Basis-Einheit Sekunde der technischen Uhren- Entwicklung an: Danach ist die Sekunde das fache der Perioden-Dauer des Grundzustandes von Atomen der dem 133 Cs-Nuklid entsprechenden Strahlung. Und das gilt bis heute. 6

7 Grobschema einer Atomuhr ELEKTROMAGNETISCES WECHSEL- FELD EINKOPPELN (3) ~ f 0 Nachweis- Signal (4) f p = Frequenz des elektromagnetischen Wechsel- Feldes f 0 ist die abgestrahlte Typus- Frequenz des Atoms beim Übergang zwischen zwei Energie- Zuständen im Frequenz- Generator. (2) (1) Regel- Signal Normalfrequenz (5 MHz) (5) (6) (9) 1969, 1986, 1988 und 1992 Atom-Uhren-Entwicklung der PTB Erste Inbetriebnahmen einer Atom- Uhr in der PTB CS1 mit Verfeinerungen bis CS4. Sie bekommen beim Vergleich mit den weltweit besten Uhren regelmäßig gute Noten und tragen daher entscheidend zu Internationalen Atomzeitskala TAI bei. (10) 1994: Im Laboratoire Primaire du Temps de Frequences (LPTF) in Paris wird die erste Cäsium-Fontänen-Uhr (FO1) der Welt in Betrieb genommen. (11) 1999: Die erste Cäsium-Fontänen-Uhr der PTB geht in Betrieb und bekam 2005 eine weiter entwickelte Uhr. Und die Optischen Atomuhren auf Laser-Basis - werden noch genauer: (12) 2012 entwickelten die Nobelpreis-Träger DAVID WINELAND vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) und SERGE HAROCHE aus Paris zusammen mit der Universität von Colorado eine Strontium-Gitter-Uhr, welche sowohl die größte punktuelle Genauigkeit als auch die Gleichmäßigkeit im Dauer- Betrieb besitzt. Die in der Uhr angeregten Strontium- Atome schwingen 430 Billionen Mal in der Sekunde, wodurch ein Gang- Fehler von einer Sekunde Abweichung in 5 Milliarden Jahren erreicht wird. ALTERNATIVEN zu den Atom- Uhren sind die (13) Pulsar-Uhren: Es sind Zeitmess-Geräte, welche die Gamma- Strahlen- Signale eines Neutronen-Sterns (Pulsars) nutzen. Für die Zeit- Messungen ist folgende Eigenschaft der Pulsare von entscheidender Bedeutung: Pulsare besitzen eine hohe Rotations-Stabilität, d.h. sie halten die Dauer einer Drehung um ihre Achse mit extremer Genauigkeit ein. Für die Eichung der Mess-Ergebnisse der Signale 7

8 verschiedener Pulsare mit Normierung und Abgleich mit den Atom- Uhren sind noch umfangreiche Forschungs- Arbeiten notwendig, siehe MARKANTE PIKS gegenüber dem Strahlungs- Hintergrund mit signifikanten HALBEN ROTATIONS- PERIODEN DES PULSARS HINTERGRUND Detail- SPEKTRUM der emittierten GAMMA- STRAHLUNG (Tscherenkow- Impulse) eines MILLISEKUNDEN- PULSARS Ganze Rotations- Periode des Pulsars Halbe Rotations- Periode des Pulsars MAGIG = Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov = energiereichste kosmische (Gamma-) Tscherenkow- Strahlung (14) Optische Quanten-Atom-Uhren: Diese funktionieren nach WINELANDS Prinzip: Einzelne Magnesium- Ionen werden isoliert. Dann werden sie in einer tiefgekühlten Vakuum-Kammer mit Hilfe von elektrischen Feldern fixiert und aufgereiht. Durch gezielten Beschuß mittels Laser- Strahl wird bei einzelnen Ionen eine Überlagerung von zwei unterschiedlichen Energie- Zuständen erreicht und registriert. Durch einen schwachen Impuls wird der Zustand eines solcherart angeregten Ions auf ein benachbartes Teilchen übertragen, ohne dass ein direkter Kontakt zwischen 8

9 beiden besteht. Durch diese Verschränkung beider Ionen als Zwillings-Paar werden erreicht: Eine Schwingungs- Messung an einzelnen Atomen, welche zu einer Erhöhung der Schwingungs-Anzahl und einer weiterer Verkleinerung Zeitmess- Gerätes führt. Nach diesem Prinzip unter Verwendung von Aluminium-Ionen will PIET SCHMIDT vom QUEST - Institut (Center for Quantum Engineering and Space- Time Forschung) der PTB eine Atom-Uhr bauen, welche in 14 Mrd. Jahren nur eine Sekunde falsch geht. Literatur: Ztschr. << maßstäbe >> Magazin der PTB (2005) - Autorenkollektiv: Zeitgeschichten, S. 6-57; Ztschr. << Der Spiegel >> 42/ Hilmar Schmundt: Eine Sekunde seit dem Urknall *** 9

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