PTB-Mitteilungen 3/2017 50 Jahre atomare Definition der Sekunde

 

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PTB-Mitteilungen 3/2017 50 Jahre atomare Definition der Sekunde

50 Years of the Atomic Definition of the Second
ISBN: ISSN 30834    |   Erscheinungsjahr: 2017    |    Auflage: 1
Seitenzahl: 88   |    Einband: Broschur    |    Gewicht: 293 g
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Vorwort zu PTB-Mitteilungen zur Definition der Sekunde Jörn Stenger Die Einheit der Zeit ist neben den Einheiten für Länge und Gewicht die historisch wohl wichtigste Einheit – unmittelbar erfahrbar und für das tägliche Leben notwendig. Es ist mehr als lohnenswert, sich anlässlich des fünfzigsten Jahrestages der aktuellen Definition der Einheit Sekunde mit der Historie, den Auswirkungen der Definition und möglichen zukünftigen Entwicklungen zu beschäftigen. Momentan steht das gesamte Einheitensystem (SI) vor einem Umbruch, und das hat viel mit der Definition der Sekunde zu tun. Diese Definition ist, wie die für alle Basiseinheiten, per Beschluss eines internationalen Gremiums, der Generalkonferenz der Meterkonvention, festgelegt worden. So ist jede Veränderung im physikalischen Einheitensystem auch eine politische Angelegenheit – mit weitreichenden Auswirkungen. Als die Generalkonferenz im Jahr 1967 beschloss, die Sekunde auf der Grundlage eines atomaren Quantenüberganges zu definieren, machte es diese Einheit zum Vorreiter einer zukunftsweisenden Entwicklung, die eine Einheit nach der anderen erfasste und im kommenden Jahr vermutlich das gesamte Internationale Einheitensystem revolutionieren wird: Dann wird nämlich jede Einheit auf der Basis eines festgelegten Zahlenwertes einer Konstanten ruhen. Die Zeit an sich ist von der Natur vorgegeben, sie ist in vielen physikalischen Gesetzmäßigkeiten mit anderen Größen verknüpft. Die Zeiteinheit Sekunde jedoch ist eine Übereinkunft zur Messung bzw. technischen Darstellung der Zeit. Damit besteht die Freiheit, diese Einheit geeignet festzulegen. Eine Einheitendefinition legt lediglich die numerischen Faktoren fest, mit denen wir Messwerte beschreiben, und man wählt sie sinnvollerweise so, dass typischerweise vorkommende Messwerte mit handhabbaren Zahlen beschrieben werden können. Die Festlegung von 1967 war von daher willkürlich, man hat sie aber praktischerweise so gewählt, dass alte und neue Sekunde möglichst gut übereinstimmten. Warum hat man nun damals diesen etwas unanschaulichen Quantenübergang gewählt? Jedes Einheitensystem richtet sich am Bedarf der Zeit aus. Was die Zeit angeht, so war es über Jahrhunderte wichtiger, sie überall einfach bestimmen zu können – wichtiger, als sie mit höchster Präzision zu kennen. Was ist da nützlicher, als die Bewegung der Erde gegenüber dem Fixsternhimmel zu verwenden? Doch für moderne Anforderungen reichte dies nicht mehr aus. Bereits Maxwell und vor allem Max Planck haben vor mehr als hundert Jahren darauf hingewiesen, dass universelle Naturkonstanten die idealen Referenzen für Einheitendefinitionen darstellen. Man braucht dann lediglich noch eine Apparatur, die eine Konstante in einer ungestörten Form messbar macht, und erhält eine universelle, stabile und im Prinzip beliebig genaue Realisierung der Einheit der Konstante. Mit der Neudefinition der Einheit Sekunde kam man diesem Ziel sehr nahe: Der Caesiumübergang stellt ein relativ einfaches Quantensystem dar, das bereits damals experimentell gut zugänglich war. Heute sind mögliche Störungen des Systems sehr gut verstanden und lassen sich beherrschen, so dass man Messunsicherheiten im Bereich von 10–16 erreicht. Das ist weitaus genauer als bei jeder anderen Einheit. Die Einheitendefinition der Sekunde war eine Initialzündung für andere Definitionen: So wurde 1983 die Einheit Meter an die Sekunde gekoppelt, indem man den Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit festlegte und so in Kombination mit dem Caesiumübergang die Einheit Meter definierte. Das war ganz im Sinne der Planck’schen Forderung, denn die Lichtgeschwindigkeit ist eine fundamentale, unbeeinflussbare Naturkonstante. Dieser Weg wurde mit der Einführung der quantenelektrischen Einheiten unter Bezug auf Festlegungen der Zahlenwert für die Planckkonstante und Elementarladung weitergegangen, momentan allerdings noch formal außerhalb des gültigen SI-Systems. Das wird sich ändern, wenn die Generalkonferenz der Meterkonvention wie erwartet Ende 2018 das gesamte SI auf die Basis von Konstanten stellt. Die Definition der Einheit Sekunde hat somit nicht nur technologische Durchbrüche ermöglicht, wie z. B. die Entwicklung von Satelliten- Navigationssystemen, sondern sich auch vielfältig auf das gesamte Einheitensystem ausgewirkt – ein guter Grund für einen Band der PTB-Mitteilungen anlässlich des fünfzigsten Jahrestages der „Caesium-Sekunde“.

127. Jahrgang, Heft 3, 2017