Zeit Die SI-Basiseinheit Sekunde

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1 PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 Themenschwerpunkt 291 Zeit Die SI-Basiseinheit Sekunde Andreas Bauch 1, Thomas Heindorff 2 1 Einleitung Zeitmessung ist aus dem Alltag ebenso wenig weg zu denken wie aus vielen Bereichen von Wissenschaft und Technik. Der Begriff wird für die Messung der Dauer von Zeitintervallen (Stichwort: Stoppuhr), für die Registrierung der Häufigkeit von Ereignissen während eines Zeitintervalls (Stichwort: Frequenzmessung), aber auch für die Datierung von Ereignissen in einer Zeitskala (Stichwort: Uhrzeit) verwendet. Für die ersten beiden Aufgaben genügt es, die Zeiteinheit festzulegen. Die letzte Aufgabe ist wohl die im täglichen Leben bedeutendste, weshalb auch die Realisierung von Zeitskalen und ihre Verbreitung in diesem Aufsatz behandelt werden. Sie setzt Festlegungen der Parameter einer Zeitskala voraus, nämlich des Zeitpunkts ihres Beginns und einer Vorschrift, wie Vielfache des Skalenmaßes gebildet werden. Unsere gesetzliche Zeit hat die SI-Sekunde als Skalenmaß, 24 Stunden zu 60 Minuten zu 60 Sekunden bilden einen Tag; diese Festlegung ist ein Teil unserer tradierten Kultur. Der Beginn des Tages ist auf 0:00 Uhr festgelegt. Für die Zählung der Tage verwenden wir den Gregorianischen Kalender. Nützliche Festlegungen zu Zeit, Kalender, Wochennummerierung und Schreibweise von Tagesdatum und Uhrzeit findet man in der Norm ISO 8601 sowie der entsprechenden deutschen bzw. europäischen Norm DIN EN Einen ausführlichen Einblick in die gesamte Thematik, insbesondere auch den historischen Wechsel von der astronomischen zur atomphysikalischen Zeitbestimmung, der im folgenden Kapitel nur knapp geschildert werden kann, findet man in [1 4]. Zu Kalender und Chronologie verweisen wir auf [5, 6]. In Kapitel 3 beschreiben wir die Funktionsweise von Atomuhren und daran anschließend das internationale Zeitsystem, auf das die Festlegung unserer gesetzlichen Zeit Bezug nimmt. Die Verbreitung von Zeitinformation und speziell der gesetzlichen Zeit in Deutschland ist Gegenstand der abschließenden Kapitel. 2 Die Definitionen der Zeiteinheit 2.1 Die Erdrotation als Maß der Zeit Das für den Menschen natürliche Zeitmaß ist der durch die Erdrotation definierte Tag. Der wahre Sonnentag (von einem Sonnenhöchststand bis zum nächstfolgenden am gleichen Ort) hat wegen der Neigung der Erdachse, bezogen auf die Ebene der Erdbahn um die Sonne, und der Ellipsenform der Erdbahn eine ungleichmäßige Dauer. Gleichförmiger ist die über ein Jahr gemittelte Sonnenzeit, deren Zeitmaß der mittlere Sonnentag ist. Die auf den durch Greenwich bei London verlaufenden Nullmeridian bezogene mittlere Sonnenzeit wird Weltzeit UT (Universal Time) genannt. Bestimmt man die Zeit aus astronomischen Beobachtungen, so treten ortsabhängige Fehler durch die Lageänderungen der Rotationsachse im Erdkörper auf, die insbesondere mit etwa 14-monatiger Periode und darüber hinaus zufällig erfolgen [1]. Die Zeitskala UT1 ist gegenüber UT bezüglich des periodischen Anteils korrigiert und damit proportional zum Drehwinkel der Erde. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurden die aus der Weltzeit durch Addition bzw. Subtraktion einer (zumeist) ganzen Anzahl von Stunden gewonnenen Zonenzeiten (eine Stunde je 15 Grad Längendifferenz zum Nullmeridian) eingeführt [7]. Ein Reichsgesetz von 1893 legte für das Gebiet des damaligen Deutschen Reiches fest: Die gesetzliche Zeit ist die mittlere Sonnenzeit des fünfzehnten Längengrades östlich von Greenwich. De facto wurde damit auch die für Zeitintervallmessungen anzuwendende Einheit, die Sekunde als Bruchteil 1/ des mittleren Sonnentages, festgelegt. Metrologen hatten nun die Aufgabe, astronomisch bestimmte Zeitintervalle mit Hilfe von Uhren so genau wie möglich zu teilen, um zum einen Zeitmaße und zum anderen die Einheit Hertz für Frequenzmessungen verfügbar zu machen. Hierfür wurden zunächst hochgenaue mechanische Pendeluhren und später Quarzuhren verwendet. 1 Dr. Andreas Bauch, Leiter des PTB-Fachlaboratorium Zeiteinheit andreas.bauch@ptb.de 2 Dr. Thomas Heindorff, PTB-Fachbereich Zeiteinheit, im Ruhestand

2 292 Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 Aus dem Vergleich der Erdrotation mit den Umläufen von Planeten sowie des Mondes erkannte man, dass die Dauer des mittleren Sonnentages fortlaufenden Änderungen unterworfen ist. Es gibt einerseits eine allmähliche Abbremsung der Erdrotation durch Gezeitenreibung (vor 400 Millionen Jahren hatte das Jahr 400 Tage) und andererseits nicht vorhersehbare Rotationsschwankungen, die man auf Massenverlagerungen im Erdkörper zurückführt. Erste Hinweise hierauf stammen noch aus dem ausgehenden 19. Jahrhundert; gesichert war diese Tatsache etwa 1935 [8]. Etwa zur selben Zeit gelang Scheibe und Adelsberger an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt mit Hilfe ihrer Quarzuhren der Nachweis, dass es jahreszeitliche Rotationsschwankungen der Erde gibt [9]. Heute werden Beobachtungen der Erdrotation mit der sog. Very Long Baseline Interferometry mit Radioteleskopen und Atomuhren als Zeitreferenzen fortgesetzt. Es bestätigt sich dabei, dass die Erdrotation als Zeitnormal ungeeignet ist, weil sie Schwankungen um relativ mehrere 10 8 aufweist. 2.2 Der Jahreslauf als Maß der Zeit Die Erde beschreibt einen scheinbar gleichförmigen Umlauf um die Sonne. Die Umlaufsperiode wurde daher für die Festlegung der Zeiteinheit vorgeschlagen [1, 4]. Als vermeintliche Verbesserung gegenüber der bisherigen Festlegung wurde 1956 die Sekunde als ein Bruchteil des tropischen Jahres neu definiert, die sog. Ephemeridensekunde. Das tropische Jahr ist die Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen der mittleren Sonne durch den mittleren Frühlingspunkt [1]. Da sich diese Zeitspanne verändert, wurde der Definition das differentielle tropische Jahr für den 31. Dezember 1899 etwa zwölf Uhr Weltzeit zugrundegelegt. Die Definition stützte sich auf eine Berechnung von Simon Newcomb aus dem Jahre 1895, der astronomische Beobachtungen mehrerer Jahrhunderte ausgewertet und dabei das mittlere Frequenzverhältnis zwischen der Erdrotation und dem Erdumlauf ermittelt hatte [4]. Da die Erde sich während dieser zurückliegenden Zeit etwas schneller gedreht hatte als heute, ist die Ephemeridensekunde kürzer als die Weltzeitsekunde unserer Tage. Etwa um 1820 dauerte die Erdrotation genau Ephemeridensekunden, heute dagegen dauert sie um etwa 2,5 ms länger. Aus dem Erdumlauf können Zeitpunkte nicht so genau abgelesen werden, dass tatsächlich jemals eine in der Praxis verfügbare genauere Zeiteinheit abgeleitet werden konnte. Nach der Entwicklung stabiler und genauer atomarer Zeitnormale wurde die Ephemeridensekunde als allgemein verwendete Zeiteinheit 1967 durch die Atomsekunde abgelöst. Man könnte dies alles als eine Episode in der Geschichte abtun, doch gibt es Auswirkungen bis zum heutigen Tag, wie wir gleich sehen werden. 2.3 Die atomare Sekundendefinition Zu den Grundannahmen der meisten physikalischen Theorien zählt, dass der Energieabstand zwischen Eigenzuständen von Atomen Naturkonstanten sind. Schon 1870 schlug James Clerk Maxwell vor, grundsätzlich derartige Naturkonstanten für die Festlegung der physikalischen Einheiten zu verwenden und sich nicht auf von der Erde gelieferte Maße zu beziehen. Für die Festlegung der Zeiteinheit nutzt man aus, dass ein Übergang zwischen zwei atomaren Eigenzuständen mit einer Energiedifferenz DE mit der Absorption oder Emission elektromagnetischer Strahlung der Frequenz f = DE/h (h: Planck Konstante) verknüpft ist. Die Frequenz f bzw. die Periodendauer 1/f einer solchen Strahlung ist danach prinzipiell konstant, anders als die Periode der Erdrotation, erst recht aber als die Schwingungsdauer eines Pendels. Bereits im Jahre 1955 schlug der Engländer Louis Essen die Verwendung des Übergangs zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustands des Elements Caesium-133 als möglichen Referenzübergang vor. Doch war die Zeit für einen solchen radikalen Wechsel des Konzepts der Sekundendefinition damals nicht reif. Die erste Caesiumatomuhr (kurz Cs-Uhr) funktionierte am englischen National Physical Laboratory, Teddington [10]. Von 1955 bis 1958 wurde in Zusammenarbeit mit dem United States Naval Observatory, Washington, die Dauer der damals gültigen Zeiteinheit, nämlich der Ephemeridensekunde, zu Perioden der Cs- Übergangsfrequenz f 0 bestimmt [11]. Dieses Messergebnis bildete die Grundlage der 1967 von der 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) beschlossenen und bis heute gültigen Definition der SI-Sekunde: Die Sekunde ist das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133 Cs entsprechenden Strahlung. Guter metrologischer Praxis folgend wurde damit die atomare Sekunde etwa so lang gewählt wie die zuvor gültige. Sie ist damit aber auch etwas kürzer als die Weltzeitsekunde unserer Tage, zugleich aber unabhängig von allen Ungleichförmigkeiten der Erdrotation und des Erdumlaufs um die Sonne.

3 PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 Themenschwerpunkt 293 Bild 1: Cs-Uhr, schematische Darstellung; f N : Normalfrequenz, f p : Frequenz zur Bestrahlung der Atome, I D : Detektorsignal, U R : Signal zur Regelung des Quarzoszillators; (a) Detektorsignal I D als Funktion der Frequenz des Mikrowellenfeldes f p ; eingezeichnet ist die Linienbreite W. 3 Caesiumatomuhren Bild 1 soll das Funktionsprinzip einer Cs-Uhr verdeutlichen: Ausgehend von einem Quarzoszillator wird mittels eines Frequenzgenerators ein Mikrowellenfeld der Frequenz f p erzeugt und in die Resonanzapparatur (graues Rechteck) eingekoppelt. Dabei ist f p nahe an der Resonanzfrequenz f 0. In der Apparatur wird im Vakuum ein Cs-Atomstrahl produziert, indem im Ofen Caesium auf etwa 100 C erwärmt wird. Der Strahl passiert einen ersten Magneten, genannt Polarisator, der nur Atome im Energiezustand E 2 in die gewünschte Richtung ablenkt. Ein zustandsselektierter Atomstrahl tritt so in den Ramsey-Resonator (benannt nach Norman F. Ramsey, Nobelpreisträger 1989) ein. In den beiden Endpartien der Länge l des Resonators werden die Atome mit dem Mikrowellenfeld bestrahlt, und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit wird dadurch der Übergang zwischen den beiden Energieniveaus angeregt. Diese Wahrscheinlichkeit und damit die Anzahl der Atome im Zustand E 1 nach der Bestrahlung ist maximal, wenn f p und f 0 übereinstimmen. Der Analysatormagnet lenkt nun gerade diese Atome auf den Detektor. Dort werden Cs-Atome zu Cs + -Ionen, und aus dem Ionenstrom wird ein elektrisches Signal I D abgeleitet. Zur Registrierung der atomaren Resonanzlinie (Bild 1a) wird f p über die Resonanzstelle gestimmt. Man erhält eine resonanzartige Reaktion der Atome mit einer Linienbreite W, W ª 1/T, wobei T die Flugzeit der Atome durch den Resonator der Länge L ist. Zur Bestimmungder Linienmitte wird im Uhrenbetrieb f p um f 0 mit dem Modulationshub W moduliert und I D derart weiterverarbeitet, dass f p im Mittel mit f 0 übereinstimmt. Hierzu wird ein Regelsignal U R zur Regelung der Quarzfrequenz erzeugt. Die natürlichen Schwankungen der Quarzfrequenz werden entsprechend der eingestellten Regelzeitkonstanten unterdrückt, und die Stabilität der atomaren Resonanz bestimmt die Qualität der abgegebenen Normalfrequenz f N (üblicherweise 5 MHz). Erzeugt man nach jeweils 5 Millionen Perioden von f N einen kurzen elektrischen Impuls, so haben aufeinanderfolgende Impulse den zeitlichen Abstand von einer Sekunde. Bei der Anregung eines Übergangs zwischen atomaren Energieniveaus wird i. A. die maximale Übergangswahrscheinlichkeit, d. h. die Mitte der Resonanzlinie, bei einem Wert der Anregungsfrequenz registriert, der nicht mit der Resonanzfrequenz f 0 für ruhende, ungestörte Atome übereinstimmt. Ursachen sind z. B. die Geschwindigkeit der Atome (Doppler-Effekt), aber auch elektrische und magnetische Felder. So hat die in Bild 1 gezeigte magnetische Abschirmung den Zweck, äußere Felder (z. B. das Erdfeld) abzuschirmen, zugleich muss im Bereich des Resonators mit Spulen ein homogenes, stabiles Magnetfeld, C-Feld genannt, erzeugt werden, das die Resonanzfrequenz um typisch etwa 2 Hz erhöht. An der im Experiment realisierten Übergangsfrequenz werden entsprechende Korrektionen angebracht, so dass f N exakt der nominellen Frequenz, also z. B. 5 MHz, entspricht. Die Unsicherheiten, mit denen die einzelnen Korrektionen bekannt sind, werden

4 294 Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 zur Gesamtunsicherheit zusammengefaßt, die letztlich ausdrückt, dass auch eine Atomuhr niemals perfekt ist. Eine zweite Einschränkung des o. g. Ideals der konstanten Frequenz muss in der Praxis in Kauf genommen werden. Das Ausgangssignal f N unterliegt statistischen Schwankungen (Frequenzrauschen), deren Hauptursache überwiegend darin liegt, dass eine statistisch schwankende Zahl von Atomen am Detektor ankommt. Unsicherheit und (In-) Stabilität sind daher die beiden charakteristischen Größen, um die Qualität einer Uhr zu beschreiben. Seit Ende der fünfziger Jahre werden Cs- Uhren als kommerzielle Geräte angeboten, und jährlich werden gegenwärtig weltweit etwa 200 produziert. Im Laufe der Jahre hat man immer besser gelernt, die Störparameter und die Gesetzmäßigkeiten ihrer Wirkung zu erfassen und so die Unsicherheit reduzieren zu können. Unterschiede in konstruktiven Details führen aber weiterhin zu etwas verschiedenen Eigenschaften. Die besten kommerziellen Uhren realisieren gegenwärtig die SI-Sekunde mit einer relativen Unsicherheit von wenigen und einer relativen Frequenzinstabilität von wenigen bei einer Mittelungszeit von einem Tag. Sie werden in den Bereichen Navigation, Geodäsie, Raumfahrt, Telekommunikation und in den Zeitinstituten (wie der PTB) eingesetzt. So besitzt die PTB derzeit sechs solcher Uhren, drei in Braunschweig und drei am Sender DCF77 (siehe Kap. 6). Mit den in der PTB entwickelten primären Cs-Uhren, die von den Beschränkungen der kommerziellen Produkte (Preis, Gewicht, Energieverbrauch etc.) frei sind, werden noch geringere Unsicherheiten erreicht. Bild 2 zeigt die beiden primären Atomuhren CS1 und CS2 der PTB, deren relative Unsicherheit nur 0, bzw. 1, [12] beträgt. Der Begriff primäre Uhr wird verwendet, wenn jederzeit eine Unsicherheitsabschätzung für die mit ihr realisierte Bild 2: Ansicht der primären Uhren CS1 und CS2 der PTB. Bild 3: Skizze der in der PTB entwickelten Fontäne CSF1 mit lasergekühlten Cs-Atomen, entsprechend der Resonanzapparatur (grau hinterlegt) von Bild 1. Sekunde angegeben werden kann. Auch die neueste Atomuhr der PTB, CSF1 (Caesiumfontäne Eins), die in Bild 3 skizziert ist, hat noch Gemeinsamkeiten mit dem in Bild 1 gezeigten Prinzip. Neu ist die Verwendung von Laserstrahlung zur Präparation und zum Zustandsnachweis der Atome [13, 14]. Die Laserkühlung [15] in einer magneto-optischen Falle (MOT) oder einer optischen Melasse liefert kalte Atome mit einer thermischen Geschwindigkeit von wenigen mm/s. Diese Atome werden auf Flugbahnen gebracht, wie sie in Bild 3 skizziert sind. Ein Teil der Atome, typisch 10%, wird in der Nachweiszone registriert, und zwar separat die Anteile in den Zuständen E 1 bzw. E 2. Die Flugzeit der Atome oberhalb des Mikrowellenresonators T ist 50-mal länger als die entsprechende Flugzeit T in CS2, und die Resonanzlinie ist entsprechend schmaler. Verschiedene frequenzverschiebende Effekte sind in ähnlichem Maße kleiner, und so sind Sekunden von CSF1 mit einer Unsicherheit von nur s (Stand März 2002) sehr viel näher an idealen SI-Sekunden [16]. Das ist gegenüber der ersten Uhr von Essen und Parry aus dem Jahr 1955 eine Verbesserung um fünf Größenordnungen. CSF1 gehört mit zwei ähnlichen Uhren in Frankreich und USA zu den derzeit genauesten der Welt. An mehreren Instituten wird in verschiedenen Richtungen daran gearbeitet, Genauigkeit und Stabilität von Atomuhren weiter zu verbessern. Besonders aussichtsreich ist die Verwen-

5 PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 Themenschwerpunkt 295 dung einzelner, gespeicherter Ionen in einer Ionenfalle als Referenz für einen atomaren Übergang im sichtbaren Spektralbereich. Eine damit realisierbare optische Uhr sollte mindestens einen Faktor zehn genauer und stabiler sein als selbst die beste Fontänenuhr [17]. 4 Atomzeitskalen: TAI und UTC Wenn Albert Einstein sagt, dass Zeit durch die Stellung des kleinen Zeigers meiner Uhr ersetzt werden könnte [18], so kommt damit treffend zum Ausdruck, dass die Zeit, die eine Uhr liefert, unabhängig von ihrem Bewegungszustand und dem Gravitationspotential, in dem sie sich befindet, ist aber eben nur für einen Beobachter im gleichen Bezugssystem. Auf diese Eigenzeit nimmt die Sekundendefinition (s. o.) Bezug, weswegen im Definitionstext auch kein Hinweis auf die Relativitätstheorie zu finden ist. Erst wenn man zwei Uhren miteinander vergleichen will, die sich relativ zueinander bewegen oder in denen Atome mit verschiedener Geschwindigkeit verwendet werden oder die verschiedener Gravitation ausgesetzt sind, oder wenn man wie gleich geschildert die Atomuhren aller weltweit operierenden Zeitinstitute zusammenfassen will, dann muss man die Regeln der Relativitätstheorie kennen und anwenden. Hier gilt nun aber, dass die geschwindigkeitsabhängige Zeitdilatation aufgrund der Bewegung der Atome im Atomstrahl und die Rotverschiebung im Gravitationsfeld z. B. der Erde so groß sind, dass ohne ihre Berücksichtigung der Vergleich von Atomuhren unrichtige Ergebnisse liefern würde. So führt der Unterschied im Gravitationspotential zwischen Braunschweig (Höhe über dem Meeresspiegel h 1 = 75 m) und Boulder, Colorado (h 2 = 1650 m), wo die Fontänenuhr F1 des National Institute of Standards and Technology betrieben wird, zu einem relativen Frequenzunterschied (df = g(h 2 h 1 ) /c 2, g: Erdbeschleunigung, c: Lichtgeschwindigkeit) von relativ 1, , also mehr als dem Hundertfachen der Unsicherheit jeder der beiden Fontänenuhren. Ohne dies zu berücksichtigen hätte man nicht zeigen können, dass die beiden Uhren im Rahmen von miteinander übereinstimmen [19]. Nach diesem Exkurs kommen wir nun zur Darlegung der Zeitskalen, die uns erst die Datierung von Ereignissen erlauben und die Grundlage der im täglichen Leben gebräuchlichen Uhrzeit sind. Das Internationale Büro für die Zeit BIH (Bureau International de l Heure) in Paris und seit 1988 die Sektion Zeit des BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) sind mit der Berechnung und Verbreitung einer weltweit gültigen Zeitreferenz beauftragt. Im Prinzip würde eine hinreichend genaue, stabile und zuverlässige Uhr genügen, die Zeit anzugeben. Da eine solche Uhr nirgendwo zur Verfügung steht, stützt man sich auf etwa 250 Uhren aus ca. 50 weltweit verteilten Zeitinstituten. Zunächst ermittelt das BIPM die Gang-Instabilitäten dieser Uhren und weist ihnen statistische Gewichte zu, mit denen sie bei der Mittelung aller Uhrengänge berücksichtigt werden. Eine stabile Uhr erhält ein hohes statistisches Gewicht und umgekehrt. Das so gewonnene Mittel trägt den Namen EAL (Echelle Atomique Libre, freie Atomzeitskala). In einem zweiten Schritt wird die Internationale Atomzeit TAI (Temps Atomique International), eine Systemzeit im relativistischen Sinne, mittels einer Frequenzsteuerung aus EAL gewonnen. Das Skalenmaß von TAI soll mit der SI-Sekunde übereinstimmen, wie sie auf Meereshöhe realisiert würde. Die Frequenzsteuerung basiert heute auf dem Vergleich von EAL mit den primären Uhren der Zeitinstitute in Frankreich, Japan, USA und Deutschland. Jede dieser Uhren realisiert die SI-Sekunde mit einer gewissen Unsicherheit; ferner wird die Frequenzsteuerung in so kleinen Schritten vorgenommen, dass die Stabilität von TAI nicht beeinträchtigt wird. So verbleibt letztlich eine kleine Abweichung zwischen dem Skalenmaß von TAI und der SI-Sekunde von relativ oder darunter, die vom BIPM publiziert wird. Die Beiträge der einzelnen Uhren sind in Bild 4 dargestellt. Bild 4: Relative Abweichung d zwischen dem Skalenmaß von TAI und der SI-Sekunde,wie sie während der letzten 12 Monate mit primären Uhren realisiert wurde: CSF1 ( ), CS1 ( ) und CS2 ( ) der PTB, NIST-F1 ( ), CRL-01 (X) (Japan), und JPO ( ) Frankreich). MJD bezeichnet das Modifizierte Julianische Datum; MJD entspricht dem 28. August Die Datenpunkte von CS1 und CS2 wurden verbunden, um den ununterbrochenen Betrieb anzuzeigen. Die Datenpunkte anderer Uhren stellen Mittelwerte über Zeitspannen von 15 bis 35 Tagen dar. Fehlerbalken (einer für jede Uhr) zeigen die systematische 1s-Unsicherheit für die Bestimmung von d an.

6 296 Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 Bild 5: Vergleich von (astronomischer) Weltzeit UT1 und Koordinierter Weltzeit UTC mit der Internationalen Atomzeit TAI. TAI hatte verschiedene Vorläufer [4], aber man hat den Anfangspunkt von TAI so festlegen können, dass der 1. Januar 1958, 0 Uhr TAI, mit dem entsprechenden Zeitpunkt in UT1 (siehe Kap. 2.1) näherungsweise übereinstimmte. Aus TAI wird die Koordinierte Weltzeit UTC (Universal Coordinated Time) abgeleitet, die die Basis unseres heutigen Weltzeitsystems mit 24 Zeitzonen ist. UTC geht auf Vorschläge des CCIR (Comité Consultatif International des Radiocommunications) der ITU (Internationalen Telecommunication Union) zurück, nach denen die Aussendung von Zeitzeichen weltweit koordiniert, also bezogen auf eine gemeinsame Zeitskala erfolgen sollte [4]. Hätte man hierfür TAI verwendet, so hätten sich die Zeitzeichen nach und nach gegenüber der Anzeige einer Weltzeituhr, der Zeitpunkt 12:00 Uhr also gegenüber dem Höchststand der Sonne, verschoben, was aus der Anpassung der Dauer der atomaren SI-Sekunde an die Ephemeridensekunde folgt. In Bild 5 ist die Abweichung zwischen UT1 und TAI dargestellt. Für die Navigation nach der Position von Himmelskörpern ist die Kenntnis von UT1 notwendig, und die Aussendung von Zeitzeichen erfolgte teilweise gerade wegen der Bedürfnisse der Schifffahrt. Da die astronomische Navigation in den sechziger Jahren noch eine gewisse Bedeutung hatte, entschied man sich zur Einführung von UTC: UTC und TAI haben das gleiche Skalenmaß, die Differenz zwischen UTC und UT1 wird aber durch Schaltsekunden in UTC auf unter 0,9 Sekunden begrenzt. Daraus folgt für UTC-TAI die in Bild 5 gezeigte Treppenkurve. Die Einführung der Schaltsekunden geschieht zum Jahreswechsel oder auch in der Mitte des Jahres als letzte Sekunde des 31. Dezembers bzw. des 30. Junis in UTC. Die Entscheidung hierüber trifft der Internationale Dienst für die Erdrotation (International Earth Rotation Service IERS, in Abhängigkeit von der beobachteten Periode der Erdrotation. Die unregelmäßige Einführung von Schaltsekunden (Bild 5) spiegelt also die ungleichmäßige Drehgeschwindigkeit der Erde wider. Den Empfehlungen verschiedener Gremien folgend wurde UTC praktisch in allen Ländern die Grundlage für die in der jeweiligen Zeitzone verwendete bürgerliche, amtliche oder gesetzliche Zeit. Ähnlich wie TAI wird UTC allerdings nur in Form von errechneten Standdifferenzen mit Bezug auf die in den einzelnen Zeitinstituten (i) realisierten Zeitskalen UTC(i) publiziert. Daraus erklärt sich die Forderung, dass die Skalen UTC(i) möglichst gut mit UTC und damit auch untereinander übereinstimmen sollen. Mitte 2002 gab es weltweit 14 Zeitskalen mit einer Abweichung UTC UTC(i) von weniger als 100 ns, darunter die der PTB. Um das zu erreichen und beizubehalten, muss das Skalenmaß von UTC(PTB) mit dem von UTC in Übereinstimmung gehalten werden. 5 Zeitverbreitung, Zeitvergleiche Während der letzten Jahrzehnte wurden verschiedenen Verfahren eingeführt, für die breite Öffentlichkeit ebenso wie für wissenschaftlichtechnische Anwendungen Zeit- und Frequenzinformationen zu verbreiten. Als Medium dienen u. a. terrestrisch ausgestrahlte Fernsehsignale und Signale von Navigationssystemen [20]. Daneben werden in vielen Ländern spezielle Normalfrequenzsender betrieben [20] (aktuelle Angaben in [21]). Spezielle Dienste für die Übermittlung kodierter Zeitinformation über Langwelle existieren in England, Japan, den USA, der Schweiz und in Deutschland (s. u.) [21]. Mit dem Betrieb des satellitengestützten amerikanischen Global Positioning System sowie des russischen Global Navigation Satellite System stehen weltweit Signale zur Verbreitung der Zeit mit einer Genauigkeit unter 1 ms zur Verfügung [20, 22, 23]. Mit Hilfe von GPS-Signalen werden auch Uhren- und Zeitskalenvergleiche zwischen verschiedenen Instituten weltweit durchgeführt. Um z. B. die Zeitskalen zweier Institute (i) und (k) untereinander zu vergleichen, werden die Zeitdifferenzen zwischen UTC(i) bzw. UTC(k) und der empfangenen Systemzeit T(GPS) ermittelt, die Messdaten ausgetauscht und die Differenzen [UTC(i) T(GPS)] [UTC(k) T(GPS)] gebildet. Die größte Genauigkeit wird erreicht, wenn die im exakt gleichen Zeitraum unter Verwendung des gleichen Satelliten gewonnen Differenzen verwendet werden. Durch Mittelung über typisch 20 bis 30 tägliche common-view Beobachtungen von etwa 15 min Dauer kann man die Zeitskalen zweier europäischer Zeitins-

7 PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 Themenschwerpunkt 297 Bild 6: Vergleich der Zeitskalen UTC(PTB) und UTC(OP) (Observatoire de Paris) mit dem Standard GPS common-view Verfahren während einer Woche. Punkte: Messergebnisse unter Verwendung verschiedener Satelliten, Stufenlinie: Tagesmittelwerte. titute mit einer Unsicherheit von (2 bis 3) ns vergleichen. Als ein Beispiel ist in Bild 6 der Vergleich zwischen UTC(PTB) und UTC(OP) (Observatoire de Paris) während einer Woche gezeigt. Bei interkontinentalen Vergleichen wächst die Unsicherheit auf (5 bis 8) ns an. Verschiedene Varianten und Erweiterungen dieses Standardverfahrens sind mittlerweile erprobt oder etabliert [17, 19, 23]. In zunehmendem Maße werden sog. Zweiweg-Zeitvergleiche über geostationäre Telekommunikationssatelliten durchgeführt, mit denen noch geringere Unsicherheiten erreicht werden [19, 24]. In jedem Zeitinstitut werden die Zeitdifferenzen zwischen den verfügbaren Uhren und UTC(i) bestimmt und diese Daten zusammen mit den Ergebnissen der Satelliten-Zeitvergleiche auf Datenservern abgelegt. Das BIPM, aber auch zahlreiche Nutzer aus Wissenschaft und Industrie greifen darauf zu. Die Verfügbarkeit der Daten erlaubt es, Zeit- und Frequenzvergleiche mit höchster Genauigkeit in Bezug auf UTC(PTB) oder zu UTC und TAI und damit in Bezug zur SI Sekunde durchzuführen. 6 Gesetzliche Zeit für Deutschland Das Zeitgesetz der Bundesrepublik Deutschland aus dem Jahre 1978 macht UTC zur Grundlage der gesetzlichen Zeit unseres Landes und definiert diese als die Mitteleuropäische Zeit (MEZ(D) = UTC(PTB) + 1 h) oder die Mitteleuropäische Sommerzeit (MESZ(D) = UTC(PTB) + 2 h). Das Zeitgesetz beauftragt die PTB mit ihrer Darstellung und Verbreitung. Die Aussendung von Zeitzeichen und Normalfrequenz über den Langwellensender DCF77 der Deutschen Telekom AG ist auch nach nunmehr mehr als 25 Jahren der Verfügbarkeit dieses Dienstes das wichtigste Verbreitungsverfahren. Außer Sekundenmarken werden in kodierter Form Uhrzeit und Datum übertragen. Die Trägerschwingung 77,5 khz dieser Aussendung kann als Normalfrequenz für die Kalibrierung von Normalfrequenzgeneratoren benutzt werden. Die ausgesendeten Signale werden in Übereinstimmung mit MEZ(D) bzw. MESZ(D) gehalten [25, 26]. Daneben bietet die PTB Zeitinformationen über das öffentliche Telefonnetz an. Unter Verwendung von Telefonmodems können Rechner und Datenerfassungsanlagen durch automatischen Zugriff die genaue Zeit von der PTB unter der Nummer abfragen [26]. Zur Synchronisation von Rechneruhren im Internet mit UTC(PTB) dienen zwei öffentlich erreichbare Server mit den Adressen ptbtime1.ptb.de und ptbtime2.ptb.de. Informationen zu den Zeitdiensten der PTB können im Internet unter abgerufen werden. 7 Schlussbetrachtung Die Sekunde ist die mit Abstand am genauesten realisierte Einheit im Internationalen Einheitensystem. Daher erscheint es natürlich, dass andere Basiseinheiten mit Bezug auf die Sekunde definiert oder realisiert werden. So ist seit 1983 das Meter eine abgeleitete Einheit, definiert als die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/ Sekunden zurücklegt. Seit vielen Jahren basiert die Realisierung des Volt, der Einheit der elektrischen Spannung, auf dem Josephson-Effekt, der das Volt über das Verhältnis zweier Naturkonstanten, h/(2e) (e: Elementarladung) mit einer Frequenz verknüpft (siehe Artikel von E. Braun und F. J. Ahlers in diesem Heft). Um aber auf das letzte Kapitel zurückzukommen: Die Bedeutung von Zeit- und Frequenzmessung im Alltag ist außerordentlich hoch. Unser Telekommunikationssystem, die Qualität der Energieversorgung über Ländergrenzen hinweg und Navigation mit GPS, um Beispiele zu nennen, würden ohne Atomuhren und ohne die Verbreitung genauer Zeitinformation nicht in der uns

8 298 Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 112 (2002), Heft 4 vertrauten Weise funktionieren. Zukünftige Verbesserungen der Atomuhren werden ganz sicher nicht nur von eminentem wissenschaftlichen Interesse sein [17], sondern auch neue Anwendungen im Alltag ermöglichen. Zeit macht aus einem Gerstenkorn eine Kanne Bier (Lettisches Sprichwort). Literatur [1] Becker, G.: Die Sekunde, PTB-Mitteilungen 85 (1975), S , siehe auch Seidelmann, P. K. (ed.): Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, University Science Books, Mill Valley, CA, [2] Enslin, H.: Die Entwicklung der Bürgerlichen Zeit seit 1800, Alte Uhren und moderne Zeitmessung 1 (1988), S und Seewart 44 (1983), S [3] Jones, T.: Splitting the Second : The Story of Atomic Time, Bristol: IOP Publishing [4] Nelson, R. A.; McCarthy, D. D.; Malys, S.; Levine, J.; Guinot, B.; Fliegel, H. F.; Beard, R. L.; Bartholomew, T. R.: The leap second: its history and possible future, Metrologia 38 (2001) S [5] Zemanek, H.: Kalender und Chronologie, 5., verbesserte Auflage München, Wien: Oldenbourg Verlag, [6] Ginzel, F. K.: Handbuch der mathematischen und technischen Chronologie, J. C. Hinrich sche Buchhandlung Leipzig [7] Howse, D.: Greenwich Time and the Longitude, Philip Wilson, London 1997, siehe auch Blaise, C.: Time Lord, Sir Sandford Fleming and the Creation of Standard Time, Weidenfeld and Nicholson, London [8] Stephenson, F. R.; Morrison, L.V.: Long-term changes in the rotation of the Earth: 700 B.C. to A.D. 1980, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 313 (1984), S [9] Scheibe, A.; Adelsberger, U.: Schwankungen der astronomischen Tageslänge und der astronomischen Zeitbestimmung mit den Quarzuhren der Phys.-Techn. Reichsanstalt Phys. Z. 37 (1936), S [10] Essen, L.; Parry, J. V. L.: An atomic standard of frequency and time interval, Nature 176 (1955), S [11] Markowitz, W.; Hall, R. G.; Essen, L.; Parry, J. V. L.: Frequency of cesium in terms of ephemeris time, Phys. Rev. Lett. 1 (1958), S [12] Bauch, A.; Fischer, B.; Heindorff, T.; Hetzel, P.; Petit, P.; Schröder, R; Wolf, P.: Comparison of the PTB primary clocks with TAI in 1999, Metrologia 37 (2000), S [13] Weyers, S.; Griebsch, D.; Hübner, U.; Schröder, R.; Tamm, Chr.; Bauch, A.: Die neue Caesiumfontäne der PTB, PTB-Mitt. 109 (1999), S [14] Bauch, A.: Zeitmessung mit Fontänen, Physik in Unserer Zeit 32 (2001), S [15] Metcalf, H. J.; van der Straaten, P.: Laser Cooling and Trapping, Springer-Verlag New York [16] Weyers, S.; Bauch, A.; Schröder, R.; Tamm, Chr.: The atomic caesium fountain CSF1 of PTB, Proc. 6 th Symposium on Frequency Standards and Metrology, St. Andrews, World Scientific 2002, S [17] Bauch, A.; Telle, H. R.: Frequency Standards and Frequency Measurements, Rep. Progr. Phys. 65 (2002), S [18] Einstein, A.: Zur Elektrodynamik bewegter Körper, Annalen der Physik, IV. Folge, Band 17 (1905), S [19] Parker, T.; Hetzel, P.; Jefferts, S. R.; Weyers, S.; Nelson, L.; Bauch, A.; Levine, J.: First comparison of remote cesium fountains, Proc IEEE Frequency Control Symposium, S [20] Handbook on the Selection and Use of Precise Frequency and Time Systems, International Telecommunication Union, Geneva [21] Recommendation ITU-R TF.460-5, Standard Frequency and Time-Signal Emissions, International Telecommuncations Union, Radiocommunication Bureau [22] Parkinson, B. W.; Spilker, J. J. (eds.): Global Positioning System: Signals, Measurements, and Performance, Am. Inst. of Aeronautics and Astronautics, Washington DC [23] Levine, J.: Introduction to time and frequency metrology, Rev. Scientific Instr. 70 (1999), S [24] Kirchner, D.: Two-way time transfer via communication satellites, Proc. IEEE 79 (1991), S [25] Hetzel, P.: Zeitinformation und Normalfrequenz von der PTB über den Telekom- Langwellensender DCF77, telekom praxis 1 (1993), S [26] Hilberg, W. (Hrsg.): Funkuhren, Zeitsignale und Normalfrequenzen: Technik und Anwendungen, Verlag Sprache und Technik, Groß-Bieberau (Dieses Buch enthält u.a. Artikel zum internationalen Zeitsystem, zu Atomuhren, zu DCF77 und zum Telefonzeitdienst.)