Die Sekunde, das Cäsium und der Abschied vom Takt der Mikrowelle

Von DerSchneider

Einleitung

Wer nach der genauesten Uhr der Welt fragt, erhält heute eine andere Antwort als noch vor zehn Jahren. Braunschweig war lange Zeit ein Epizentrum der Zeitmessung – und ist es in Teilen noch immer. Doch der Rekordhalter steht inzwischen in Singapur, und das Prinzip, nach dem dort gemessen wird, hat mit dem alten Cäsium-Standard nur noch den Grundgedanken gemein: Man zählt nicht mehr Mikrowellen, sondern Lichtschwingungen. Die Geschichte der Atomuhr ist damit an einem Wendepunkt angelangt. Cäsium war nie „die beste Wahl“ im absoluten Sinne – es war die pragmatischste. Diese Unterscheidung ist entscheidend, wenn man verstehen will, warum die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig weiterhin eine Schlüsselrolle spielt, obwohl die Genauigkeitskrone längst an optische Uhren gegangen ist.

Braunschweig: Das alte Zentrum und seine Grenzen

Die PTB betreibt in Braunschweig mit CSF1 und CSF2 zwei primäre Cäsium-Fontänenuhren, die zur Steuerung der internationalen Atomzeitskala TAI und der nationalen Zeitskala UTC(PTB) beitragen . CSF2 erreichte nach umfangreichen Neubewertungen eine relative Frequenzunsicherheit von 1,7 × 10⁻¹⁶ . Das ist herausragend für ein Gerät, das auf Mikrowellenübergängen basiert – und dennoch um Größenordnungen ungenauer als das, was optische Uhren heute leisten.

Die derzeit als genaueste geltende Uhr ist eine Lutetium-Ionen-Uhr des Centre for Quantum Technologies an der National University of Singapore. Ihr Team um Murray Barrett beziffert die Unsicherheit auf 1 × 10⁻¹⁹ – das ist eine Zehnerpotenz besser als die besten Cäsium-Fontänen und übertrifft auch die meisten anderen optischen Uhren . Zwei unabhängige Lutetium-Uhren desselben Labors stimmten auf 5,7 × 10⁻¹⁹ überein, die bislang präziseste Uhrenvergleichsmessung überhaupt . In Braunschweig forscht man parallel an Indium-Ionen-Kristalluhren, die ebenfalls in den Bereich von 10⁻¹⁸ vorstoßen . Die PTB bleibt also Forschungsstandort von Weltrang – nur eben nicht mehr alleiniger Rekordhalter.

Wie eine Atomuhr tickt: Das Prinzip

Das Grundprinzip ist bei allen Atomuhren identisch: Man sucht eine atomare Resonanzfrequenz, die möglichst unempfindlich gegenüber äußeren Störungen ist, regt den Übergang mit einem oszillierenden Feld an und regelt den Oszillator so nach, dass er exakt auf dieser Frequenz schwingt. Die gezählten Schwingungen ergeben die Zeit.

Bei einer Cäsium-Fontänenuhr werden Cäsium-133-Atome lasergekühlt, zu einer Wolke geformt und in einer Vakuumkammer nach oben geschossen. Sie durchlaufen dabei ein Mikrowellenfeld. Nur wenn dessen Frequenz exakt der Hyperfeinübergangsfrequenz des Cäsiums entspricht, ändern die Atome ihren Zustand. Ein Detektor misst die Zustandsänderung, und eine Regelung korrigiert die Mikrowelle entsprechend. Die Definition der Sekunde ist an genau diesen Übergang gebunden: 9.192.631.770 Schwingungen entsprechen einer Sekunde .

Optische Uhren tun im Prinzip dasselbe, nur mit Laserlicht statt Mikrowellen. Die Frequenz liegt etwa 100.000-mal höher, was bei gleicher Messzeit eine entsprechend feinere Auflösung erlaubt . Bei Ionen-Uhren wird ein einzelnes Ion – oder ein kleiner Ionenkristall – in einer elektrischen Falle nahezu perfekt von der Umgebung isoliert. Bei Gitteruhren werden neutrale Atome wie Strontium oder Ytterbium in einem optischen Gitter aus stehenden Lichtwellen gehalten. Beide Ansätze haben ihre Stärken: Ionen sind besser isoliert, Gitteruhren liefern durch die vielen gleichzeitig befragten Atome ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis und damit schnellere Stabilität .

Die folgende Tabelle stellt die Größenordnungen gegenüber:

Warum Cäsium? Die Antwort ist historisch, nicht physikalisch

Cäsium ist nicht deshalb der Standard, weil kein anderes Element besser geeignet wäre. Es ist der Standard, weil es 1967, als die Sekunde neu definiert werden musste, die praktikabelste Option war – und weil eine einmal gesetzte Definition eine enorme Beharrungskraft hat.

Die Vorteile von Cäsium-133 liegen im Detail: Es ist das einzige stabile natürliche Isotop des Elements, nicht radioaktiv, und sein Hyperfeinübergang liegt bei etwa 9,2 GHz – mitten im Mikrowellenbereich. Diese Frequenz lässt sich mit vergleichsweise einfacher, robuster und kostengünstiger Elektronik direkt anregen und messen. Optische Übergänge erfordern dagegen Laser, optische Resonatoren und Frequenzkämme – Technologie, die erst Jahrzehnte nach der Cäsium-Definition ausgereift genug war, um Alltagstauglichkeit zu erlangen.

Hinzu kommt: Die Wahl fiel nicht allein auf Cäsium, weil es „am besten“ war, sondern weil es gut genug und praktisch beherrschbar war. Die erste Cäsium-Atomuhr, Caesium I, wurde 1955 am National Physical Laboratory in England gebaut . Als die 13. Generalkonferenz für Maß und Gewicht 1967 die Sekunde an Cäsium band, geschah das auf Basis bereits erprobter Technologie. Eine Neudefinition auf ein optisches Element hätte damals bedeutet, einen Standard zu setzen, der noch nicht breit realisierbar war.

Die anstehende Neudefinition: Cäsium wird nicht verschwinden

Die internationale metrologische Gemeinschaft bereitet derzeit die Ablösung des Cäsium-Standards vor. Das Beratende Komitee für Zeit und Frequenz (CCTF) hat einen Fahrplan entwickelt, der acht verbindliche Kriterien und sechs Zusatzbedingungen umfasst . Die nächste Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) wird voraussichtlich um 2030 über eine Neudefinition entscheiden – vorausgesetzt, die optischen Uhren und die für ihren weltweiten Vergleich nötigen Zeitübertragungstechniken sind bis dahin zuverlässig genug .

Bemerkenswert ist, was mit Cäsium danach geschieht: Es wird nicht abgeschafft. Die BIPM stellt ausdrücklich klar, dass Cäsium-Normale nach der Neudefinition als sekundäre Darstellungen der Sekunde weiterbestehen. Sie behalten ihre Rolle in der Steuerung von UTC und TAI, nur mit einer zusätzlichen Unsicherheit von der Größenordnung 10⁻¹⁶, die praktisch nur für die allerbesten Fontänenuhren relevant ist . Cäsium bleibt also das Rückgrat der globalen Zeitskalen – es verliert lediglich den Status als definitionisches Fundament.

Ein ehrlicher Blick auf die Grenzen der Genauigkeit

Die Rede von der „genauesten Uhr der Welt“ verdeckt ein Problem, das die Metrologen selbst offen ansprechen: Eine Uhr, die auf 10⁻¹⁹ genau geht, lässt sich kaum noch mit anderen Uhren vergleichen. Die Lutetium-Uhren in Singapur konnten ihre Übereinstimmung nur deshalb so präzise zeigen, weil sie auf demselben Tisch standen und der Höhenunterschied zwischen ihnen auf unter einen Millimeter genau bekannt war – Gravitation verändert den Gang von Uhren auf dieser Größenskala bereits messbar . Ein Vergleich zwischen Singapur und Braunschweig auf diesem Niveau ist mit heutiger Satellitentechnik nicht möglich. Glasfaserverbindungen über Kontinente hinweg sind Forschungsgegenstand, nicht Alltag .

Das bedeutet: Die höchste erreichbare Genauigkeit ist derzeit teilweise eine Laborleistung ohne unmittelbare globale Anwendbarkeit. Für die Steuerung von UTC, für Navigation und für die allermeisten technischen Anwendungen sind Cäsium-Fontänen nach wie vor völlig ausreichend. Die optischen Uhren sind nicht deshalb besser, weil sie „wahrer“ wären, sondern weil sie feinere Auflösungen ermöglichen – für Grundlagenphysik, Geodäsie und die Frage, ob Naturkonstanten wirklich konstant sind.

Fazit und Ausblick

Braunschweig ist nicht mehr der Ort der absoluten Uhr, aber es bleibt ein Ort, an dem die Zeit fundamental mitgestaltet wird. Die PTB liefert mit ihren Cäsium-Fontänen den kontinuierlichen Takt für die deutsche und internationale Zeit, und ihre optischen Uhren gehören zur Weltspitze der Forschung. Die Frage „Warum Cäsium?“ beantwortet sich nicht mit Überlegenheit, sondern mit historischer Pragmatik und institutioneller Kontinuität. Cäsium war die beste verfügbare Wahl, als die Wahl getroffen werden musste – und sie ist bis heute gut genug, um das Funktionieren der Welt zu garantieren.

Die eigentliche Spannung liegt nicht darin, welche Uhr die genaueste ist. Sie liegt darin, dass die Physik schneller voranschreitet als die Infrastruktur, die nötig wäre, um ihre Präzision global nutzbar zu machen. Bis mindestens 2030 bleibt Cäsium der Maßstab, an dem sich alles andere messen lassen muss – auch die Uhren, die es eines Tages ablösen werden.

Quellen

1. BIPM: FAQ – Redefinition of the second. Online: bipm.org/en/FAQ-redefinition-second
2. Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Neuevaluation der primären Fontänenuhren (2018). Online: ptb.de
3. National University of Singapore: Singapore scientists build world’s most accurate atomic clock (2026). Online: news.nus.edu.sg
4. Physikalisch-Technische Bundesanstalt: PTBnews 2016/2 – Ytterbium- und Strontiumuhren (2016). PDF: ptb.de
5. Physikalisch-Technische Bundesanstalt / EurekAlert: On the way to a „new“ second (2025). Online: eurekalert.org
6. Hausser et al.: 115In⁺–172Yb⁺ Coulomb Crystal Clock with 2.5 × 10⁻¹⁸ Systematic Uncertainty. Physical Review Letters 134, 023201 (2025)
7. Measurement Standards Laboratory of New Zealand: Second – Definition. Online: measurement.govt.nz
8. BIPM: Second – Historical perspective. Online: bipm.org
9. Nature Communications: Optical atomic clocks represent the pinnacle of precision timekeeping (2026). PDF: nature.com
10. Bureau International des Poids et Mesures / CGPM: Vers une nouvelle définition de la seconde (2026). Online: portail-qualite.public.lu