Atomuhr

Zeigt die genaue Uhrzeit unabhängig von der Uhr Ihres Rechners/Smartphones an.

Ganzjährig gültig u.a. in Deutschland, Österreich, Schweiz, Frankreich uvm.

      
Dienstag, 26. Mai 2020 (KW 22)

Wie genau ist diese Online-Atomuhr?

Die Abweichung der angezeigten Atomuhr beträgt i.d.R. wenige Millisekunden. Der Zeitgeber (unser Server) synchronisiert sich mehrmals täglich mit der offiziellen Atomuhr genauen Uhrzeit. Die Zeitverzögerung bei der Übertragung der Uhrzeit im Internet wird auf das technisch mögliche Minimum reduziert, so dass unsere Atomuhr die Uhrzeit so genau anzeigt, wie es im Internet möglich ist.

Die Atomuhr

Es gibt verschiedene Atomuhren denen jedoch gemeinsam ist, dass die Zeit – bzw. Sekunden etc. – aus den Strahlungsübergängen von Elektronen freier Atome ermittelt wird. Aktuell sind Atomuhren die genausten Uhren mit einer Abweichung von weniger als 10 milliardstel Sekunden pro Jahr; es wird jedoch bereits an genaueren Uhren gearbeitet, die auf Lichtwellen basieren.

Eine Definition der Zeitmessung

Egal, wie die Zeit gemessen wird, Basis für unsere Uhrzeit ist ein Tag mit 24 Stunden à 60 Minuten. Jede Minute ist unterteilt in 60 Sekunden. Eine Sekunde ist somit der 86.400ste Teil eines Tages. Betrachtet man die mittlere Dauer eines Sonnentages über die Jahre hinweg, erkennt man, dass die Tage nicht alle gleich lang sind. Einflüsse wie die Gezeiten, Erdbeben etc. führen zu einer langsameren/schnelleren Erdrotation. Dies impliziert, dass die Sekunden je nach Tag unterschiedlich lang sind. Ein Meter ist ein Meter, egal wo und wann man misst. Ebenso sollte die Zeit zu messen sein. Egal um welchen Tag es geht, jede Sekunde muss identisch lang sein, um verlässliche Messungen und Vergleiche anstellen zu können. Deshalb wurde 1967 die Sekunde neu definiert, und zwar mittels einer atomphysikalischen Definition.

"Die Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids Cs-133 entsprechenden Strahlung."

Auch bei dieser Definition entspricht ein Tag immer noch ungefähr 86.400 Sekunden. Jedoch ist nun jede Sekunde gleich lang und nicht mehr abhängig von der Tageslänge. Was dazu führt, das es immer mal wieder eine Schaltsekunde gibt, damit die "Zeit stimmt".

Die Messung der Zeit

Mit der Atomuhr begann somit eine überaus genaue Messung der Zeit. Wo Quarzuhren pro Monat um mehrere Sekunden falsch gehen, beträgt die Abweichung der Atomuhren des PTB pro Tag weniger als 0,1 milliardstel Sekunde. In Deutschland gibt es in Braunschweig vier Atomuhren.

Seit wann gibt es Atomuhren?

Seit 1967 ist die Sekunde auf atomarer Basis definiert.

Die ersten Caesium-Atomuhren wurden zeitgleich am amerikanischen National Bureau of Standards (NBS) und am britischen National Physical Laboratory (NPL) entwickelt, wobei das NPL 1955 die erste funktionstüchtige Atomuhr vorstellte. Die erste kommerzielle Atomuhr, „Atomichron" genannt", gab es ab 1958.

1990 wurde in Paris eine Fontänenuhr vorgestellt, die nicht mehr mit einem kontinuierlichen thermischen Strahl sondern mit lasergekühlten Cäsiumatomen arbeitet. Die erste Fontänenuhr FO1 funktionierte bereits 1994 im Oberservatoire de Paris.

Wozu eine solche genaue Zeitmessung?

Ob es für den alltäglichen Blick auf die Uhr wirklich nötig ist, eine solch genaue Zeitmessung zu betreiben, ist Ansichtssache. Aber die überaus genaue Zeitmessung mit Hilfe der Atomuhr betrifft mehr Bereiche des alltäglichen Lebens, als man denkt, Es sind nicht nur die theoretischen, wissenschaftliche Belange für die diese Zeit nötig ist. Sondern so ist zum Beispiel jedes Navigationssystem darauf angewiesen, dass die Satelliten, durch die die Navigation möglich wird, die genaue Uhrzeit übermitteln. Schon wenige Sekunden Abweichung führen zu einer mehrere hundert Meter abweichenden aktuellen Positionsanzeige.

Die Zeiteinheit ist die mit Abstand am genauesten realisierte SI-Einheit. Aus diesem Grund ist sie die Basis für weitere Basiseinheiten wie zum Beispiel den Meter:
"Der Meter ist definiert als die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt."

Beispiele für den Bedarf an Atomuhren

In vielen wissenschaftlichen Bereichen werden die genauen Zeitangaben der Atomuhren benötigt. Sie helfen, die Gültigkeit der Relativitätstheorie oder die Konstanz von Naturkonstanten zu untersuchen.

Aber auch der Betrieb von Telekommunikationsnetzwerken oder Netzwerken der Energieversorgung sind auf diese Zeitangaben angewiesen.

Bahnhofsuhren: Sie empfangen die Uhrzeit über einen Langwellensender vom PTB

Wie funktioniert eine Atomuhr?

Die ersten Atomuhren basieren auf der Mikrowellentechnik in Kombination mit Cäsiumatomen, genauer dem 133Cäsium CS. Erwärmte, und somit gasförmige, Cäsiumatome werden durch Mikrowellen in einen anderen Erregungszustand versetzt. Die Länge der Mikrowellen wird so eingestellt, dass die größtmögliche Anzahl der Cäsiumatome in diesen Zustand versetzt wird. Daraus kann dann eine Sekunde abgeleitet werden.

Parallel begann die Entwicklung der Fontänenuhr. Das Funktionsprinzip ist ähnlich dem der anderen Atomuhren, jedoch wird hier mit einem aufwärts gerichteten thermischen Atomstrahl gearbeitet.

Eine neuere Technik ist die optische Atomuhr. Taktgeber ist hier ein atomarer Übergang im optischen Spektralbereich. Hierfür werden andere Element, zum Beispiel Strontium, verwendet. Da Lichtwellen schneller sind , ist diese Methode noch genauer als die der "herkömmlichen" Atomuhr.

Wer gerne genau wissen möchte, wie Atomuhren funktionieren, kann dies auf den Seiten der PTB nachlesen.

Wie wird die Atomuhrzeit versendet?

Die Zeitübertragung gehört zu den gesetzlichen Aufgaben der PTB.

Die Zeitübertragung geschieht per Satellit und per Langwelle.

Die Übertragung per Langwelle hat den Vorteil, dass ihr Empfang weder durch Bäume und Häuser gestört wird und es ist keine Außenantenne nötig, so dass sie auch mit in Funkuhren eingebauten Ferritantennen empfangen werden können.

Weltweite Uhrzeit

Die Erde ist in unterschiedliche Zeitzonen eingeteilt, so dass es immer nur begrenzte Gebiete mit derselben Uhrzeit gibt. Eine Übersicht über die zeitliche Differenz zu unserer Zeit sowie die Regelung zur Sommerzeit finden Sie auf folgender Seite.

Die Uhrzeit in Deutschland

Welche Zeit in Deutschland herrscht, ist festgelegt durch Paragraph 4 des EinhZeitG.

§ 4 Gesetzliche Zeit
(1) Die gesetzliche Zeit ist die mitteleuropäische Zeit. Diese ist bestimmt durch die koordinierte Weltzeit unter Hinzufügung einer Stunde.

Kaum vorstellbar, dass vor gut einhundert Jahren die Uhren innerhalb Deutschlands alle anders gingen. Auslöser für die Einführung einer einheitlichen Zeit war das im 19. Jahrhundert aufkommende Verkehrsmittel Eisenbahn. Durch die unterschiedlichen Uhrzeiten, die im Land herrschten, war es schwierig, Fahr- und Einsatzpläne zu erstellen, zudem wussten die Passagiere nicht, nach welcher Zeit sie sich richten sollten: der des Abfahrtbahnhofs, des Ankunftsbahnhofs, einer ganz anderen Zeit?

Erst seit 1893 wurde per Gesetzt eine einheitliche Zeit für das Deutsche Reich festgelegt:
"Wir Wilhelm, von Gottes Gnaden Deutscher Kaiser, König von Preußen sc.
verordnen im Ramen des Reichs, nach erfolgter Zustimmung des Bundesraths und des Reichstags, was folgt:
Die gesetzliche Zeit in Deutschland ist die mittlere Sonnenzeit des fünfzehnten Längengrades östlich von Greenwich.
Dieses Gesetz tritt mit dem Zeitpunkt in Kraft, in welchem nach der im vorhergehenden Absatz festgelegten Zeitbestimmung der 1. April 1893 beginnt."

Sommerzeit in Deutschland

Seit 1980 gibt es in Deutschland die Sommerzeit. Die Regelung der Sommerzeit geschieht über die Paragraphen 4 und 5 des "Gesetz über die Einheiten im Messwesen und die Zeitbestimmung (Einheiten- und Zeitgesetzt - EinhZeitG).

§ 4 Gesetzliche Zeit
(2) Für den Zeitraum ihrer Einführung ist die mitteleuropäische Sommerzeit die gesetzliche Zeit. Die mitteleuropäische Sommerzeit ist bestimmt durch die koordinierte Weltzeit unter Hinzufügung zweier Stunden.

§ 5 Ermächtigung zur Einführung der mitteleuropäischen Sommerzeit
(1) Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie wird ermächtigt, zur besseren Ausnutzung der Tageshelligkeit und zur Angleichung der Zeitzählung an diejenige benachbarter Staaten durch Rechtsverordnung, die nicht Zustimmung des Bundesrates bedarf, für einen Zeitraum zwischen dem 1. März und dem 31. Oktober die mitteleuropäische Sommerzeit einzuführen.
(2) Die mitteleuropäische Sommerzeit soll jeweils an einem Sonntag beginnen und enden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bestimmt in der Rechtsverordnung nach Absatz 1 den Tag und die Uhrzeit, zu der die mitteleuropäische Sommerzeit beginnt und endet, sowie die Bezeichnung der am Ende der mitteleuropäischen Sommerzeit doppelt erscheinenden Stunde.

Das Zeitsystem

Für die Feststellung der genauen Zeit ist das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) zuständig. 2016 wurden die Zeiten von circa 400 Atomuhren von 72 Zeitinstituten gemittelt, um eine freie Atomzeitskala zu gewinnen.

Die unterschiedlichen Zeiten

Die internationale Atomzeit TAI

Die freie Atomzeitskala wird mit den primären Cäsium-Fontänenuhren verglichen. Daraus ergibt sich, wie das Skalenmaß der freien Atomzeitskala angepasst werden muss, um mit der SI-Sekunde, die durch die primären Uhren realisiert wird, übereinzustimmen. Durch eine entsprechende rechnerische Korrektur wird die Internationale Atomzeit TAI (Temps Atomique International) gewonnen.

Die koordinierte Weltzeit UTC

Die Koordinierte Weltzeit UTC (Coordinated Universal Time) wird aus der Internationale Atomzeit durch Hinzufügen von Schaltsekunden gewonnen.

Die Zeit, die jedes der 72 Institute, die ihre Zeit für die Ermittlung der freien Atomzeitskala übermitteln, wird UTC(k) genannt und weicht je nach Aufwand der Realisierung und Qualität der Atomuhren mehr oder weniger von der UTC ab. Das PTB nutzt seit 2010 für die Ermittlung der UTC(PTB) eine Caesium-Fontänenuhr, seitdem war die Differenz zwischen UTC und UTC(PTB) niemals größer als 10 ns.

Aus der UTC wird die Mitteleuropäische Zeit abgeleitet. Sie berechnet sich als UTC+1 bzw. bei der Sommerzeit als UTC+2.

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), eine Bundesoberbehörde im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, ist DIE Institution in Deutschland, die für unsere Uhrzeit zuständig ist. Dies ist eindeutig im Einheiten- und Zeitgesetz geregelt:

§ 6 Physikalisch-Technische Bundesanstalt
(2) Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt hat
2. die gesetzliche Zeit darzustellen und zu verbreiten,
:
5. die Verfahren bekannt zu machen, nach denen nicht verkörperte Einheiten, einschließlich der Zeiteinheit und der Zeitskalen sowie der Temperatureinheit und Temperaturskalen, dargestellt werden.

(3) Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt hat ferner
:
4. zur Einheitlichkeit des internationalen Messwesens beizutragen.

Mitte der sechziger Jahre entwickelte das PTB eine eigene Caesium-Atomuhr, die CS1,, die 1969 erstmal benutzt wurde und bis heute noch tickt. 1985 kam CS2 hinzu. Diese beiden sind die heutzutage einzigen noch in Betrieb befindlichen primären Uhren mit thermischem Atomstrahl.

Seit 1998 steht im PTB die Fontäne CSF1. Basierend auf den Erkenntnissen aus der Entwicklung und den ersten Betriebsjahren dieser Uhr wurde CSF2 entwickelt. Seit 2010 werden mit CSF2 Frequenzmessungen durchgeführt.

Zudem liegt sie „mit fünf weiteren Fontäneuhren in der Spitzengruppe der derzeit genauesten Uhren weltweit mit relativen Unsicherheiten im Bereich von wenigen 10-16. Dies bedeutet eine Abweichung von einer millionstel Sekunde von "idealen" Sekunde in 30 Jahren.