{"id":7724,"date":"2026-10-19T02:55:43","date_gmt":"2026-10-19T02:55:43","guid":{"rendered":"https:\/\/technodidact.de\/?p=7724"},"modified":"2026-10-19T02:55:43","modified_gmt":"2026-10-19T02:55:43","slug":"die-sekunde-das-caesium-und-der-abschied-vom-takt-der-mikrowelle","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/technodidact.de\/en\/die-sekunde-das-caesium-und-der-abschied-vom-takt-der-mikrowelle\/","title":{"rendered":"Die Sekunde, das C\u00e4sium und der Abschied vom Takt der Mikrowelle"},"content":{"rendered":"

Von DerSchneider<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Einleitung<\/h2>\n\n\n\n

Wer nach der genauesten Uhr der Welt fragt, erh\u00e4lt heute eine andere Antwort als noch vor zehn Jahren. Braunschweig war lange Zeit ein Epizentrum der Zeitmessung \u2013 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 C\u00e4sium-Standard nur noch den Grundgedanken gemein: Man z\u00e4hlt nicht mehr Mikrowellen, sondern Lichtschwingungen. Die Geschichte der Atomuhr ist damit an einem Wendepunkt angelangt. C\u00e4sium war nie \u201edie beste Wahl“ im absoluten Sinne \u2013 es war die pragmatischste. Diese Unterscheidung ist entscheidend, wenn man verstehen will, warum die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig weiterhin eine Schl\u00fcsselrolle spielt, obwohl die Genauigkeitskrone l\u00e4ngst an optische Uhren gegangen ist.<\/p>\n\n\n\n

Braunschweig: Das alte Zentrum und seine Grenzen<\/h2>\n\n\n\n

Die PTB betreibt in Braunschweig mit CSF1 und CSF2 zwei prim\u00e4re C\u00e4sium-Font\u00e4nenuhren, 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 \u00d7 10\u207b\u00b9\u2076 . Das ist herausragend f\u00fcr ein Ger\u00e4t, das auf Mikrowellen\u00fcberg\u00e4ngen basiert \u2013 und dennoch um Gr\u00f6\u00dfenordnungen ungenauer als das, was optische Uhren heute leisten.<\/a><\/p>\n\n\n\n

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 \u00d7 10\u207b\u00b9\u2079 \u2013 das ist eine Zehnerpotenz besser als die besten C\u00e4sium-Font\u00e4nen und \u00fcbertrifft auch die meisten anderen optischen Uhren . Zwei unabh\u00e4ngige Lutetium-Uhren desselben Labors stimmten auf 5,7 \u00d7 10\u207b\u00b9\u2079 \u00fcberein, die bislang pr\u00e4ziseste Uhrenvergleichsmessung \u00fcberhaupt . In Braunschweig forscht man parallel an Indium-Ionen-Kristalluhren, die ebenfalls in den Bereich von 10\u207b\u00b9\u2078 vorsto\u00dfen . Die PTB bleibt also Forschungsstandort von Weltrang \u2013 nur eben nicht mehr alleiniger Rekordhalter.<\/a><\/a><\/a><\/p>\n\n\n\n

Wie eine Atomuhr tickt: Das Prinzip<\/h2>\n\n\n\n

Das Grundprinzip ist bei allen Atomuhren identisch: Man sucht eine atomare Resonanzfrequenz, die m\u00f6glichst unempfindlich gegen\u00fcber \u00e4u\u00dferen St\u00f6rungen ist, regt den \u00dcbergang mit einem oszillierenden Feld an und regelt den Oszillator so nach, dass er exakt auf dieser Frequenz schwingt. Die gez\u00e4hlten Schwingungen ergeben die Zeit.<\/p>\n\n\n\n

Bei einer C\u00e4sium-Font\u00e4nenuhr werden C\u00e4sium-133-Atome lasergek\u00fchlt, zu einer Wolke geformt und in einer Vakuumkammer nach oben geschossen. Sie durchlaufen dabei ein Mikrowellenfeld. Nur wenn dessen Frequenz exakt der Hyperfein\u00fcbergangsfrequenz des C\u00e4siums entspricht, \u00e4ndern die Atome ihren Zustand. Ein Detektor misst die Zustands\u00e4nderung, und eine Regelung korrigiert die Mikrowelle entsprechend. Die Definition der Sekunde ist an genau diesen \u00dcbergang gebunden: 9.192.631.770 Schwingungen entsprechen einer Sekunde .<\/a><\/a><\/p>\n\n\n\n

Optische Uhren tun im Prinzip dasselbe, nur mit Laserlicht statt Mikrowellen. Die Frequenz liegt etwa 100.000-mal h\u00f6her, was bei gleicher Messzeit eine entsprechend feinere Aufl\u00f6sung erlaubt . Bei Ionen-Uhren wird ein einzelnes Ion \u2013 oder ein kleiner Ionenkristall \u2013 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 Ans\u00e4tze haben ihre St\u00e4rken: Ionen sind besser isoliert, Gitteruhren liefern durch die vielen gleichzeitig befragten Atome ein besseres Signal-Rausch-Verh\u00e4ltnis und damit schnellere Stabilit\u00e4t .<\/a><\/a><\/a><\/p>\n\n\n\n

Die folgende Tabelle stellt die Gr\u00f6\u00dfenordnungen gegen\u00fcber:<\/p>\n\n\n\n

Uhrentyp<\/th>Referenz\u00fcbergang<\/th>Typische relative Unsicherheit<\/th>Standort-Beispiel<\/th><\/tr><\/thead>
C\u00e4sium-Font\u00e4ne<\/td>Mikrowelle (9,2 GHz)<\/td>10\u207b\u00b9\u2076<\/td>PTB Braunschweig (CSF2) <\/a><\/td><\/tr>
Strontium-Gitteruhr<\/td>Optisch (~429 THz)<\/td>10\u207b\u00b9\u2077 bis 10\u207b\u00b9\u2078<\/td>PTB, JILA, Tokio <\/a><\/td><\/tr>
Ytterbium-Ionenuhr<\/td>Optisch<\/td>10\u207b\u00b9\u2078<\/td>PTB <\/a><\/td><\/tr>
Lutetium-Ionenuhr<\/td>Optisch (~353 THz)<\/td>10\u207b\u00b9\u2079<\/td>NUS Singapur <\/a><\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n

Warum C\u00e4sium? Die Antwort ist historisch, nicht physikalisch<\/h2>\n\n\n\n

C\u00e4sium ist nicht deshalb der Standard, weil kein anderes Element besser geeignet w\u00e4re. Es ist der Standard, weil es 1967, als die Sekunde neu definiert werden musste, die praktikabelste Option war \u2013 und weil eine einmal gesetzte Definition eine enorme Beharrungskraft hat.<\/p>\n\n\n\n

Die Vorteile von C\u00e4sium-133 liegen im Detail: Es ist das einzige stabile nat\u00fcrliche Isotop des Elements, nicht radioaktiv, und sein Hyperfein\u00fcbergang liegt bei etwa 9,2 GHz \u2013 mitten im Mikrowellenbereich. Diese Frequenz l\u00e4sst sich mit vergleichsweise einfacher, robuster und kosteng\u00fcnstiger Elektronik direkt anregen und messen. Optische \u00dcberg\u00e4nge erfordern dagegen Laser, optische Resonatoren und Frequenzk\u00e4mme \u2013 Technologie, die erst Jahrzehnte nach der C\u00e4sium-Definition ausgereift genug war, um Alltagstauglichkeit zu erlangen.<\/p>\n\n\n\n

Hinzu kommt: Die Wahl fiel nicht allein auf C\u00e4sium, weil es \u201eam besten“ war, sondern weil es gut genug und praktisch beherrschbar war. Die erste C\u00e4sium-Atomuhr, Caesium I, wurde 1955 am National Physical Laboratory in England gebaut . Als die 13. Generalkonferenz f\u00fcr Ma\u00df und Gewicht 1967 die Sekunde an C\u00e4sium band, geschah das auf Basis bereits erprobter Technologie. Eine Neudefinition auf ein optisches Element h\u00e4tte damals bedeutet, einen Standard zu setzen, der noch nicht breit realisierbar war.<\/a><\/p>\n\n\n\n

Die anstehende Neudefinition: C\u00e4sium wird nicht verschwinden<\/h2>\n\n\n\n

Die internationale metrologische Gemeinschaft bereitet derzeit die Abl\u00f6sung des C\u00e4sium-Standards vor. Das Beratende Komitee f\u00fcr Zeit und Frequenz (CCTF) hat einen Fahrplan entwickelt, der acht verbindliche Kriterien und sechs Zusatzbedingungen umfasst . Die n\u00e4chste Generalkonferenz f\u00fcr Ma\u00df und Gewicht (CGPM) wird voraussichtlich um 2030 \u00fcber eine Neudefinition entscheiden \u2013 vorausgesetzt, die optischen Uhren und die f\u00fcr ihren weltweiten Vergleich n\u00f6tigen Zeit\u00fcbertragungstechniken sind bis dahin zuverl\u00e4ssig genug .<\/a><\/a><\/a><\/p>\n\n\n\n

Bemerkenswert ist, was mit C\u00e4sium danach geschieht: Es wird nicht abgeschafft. Die BIPM stellt ausdr\u00fccklich klar, dass C\u00e4sium-Normale nach der Neudefinition als sekund\u00e4re Darstellungen der Sekunde weiterbestehen. Sie behalten ihre Rolle in der Steuerung von UTC und TAI, nur mit einer zus\u00e4tzlichen Unsicherheit von der Gr\u00f6\u00dfenordnung 10\u207b\u00b9\u2076, die praktisch nur f\u00fcr die allerbesten Font\u00e4nenuhren relevant ist . C\u00e4sium bleibt also das R\u00fcckgrat der globalen Zeitskalen \u2013 es verliert lediglich den Status als definitionisches Fundament.<\/a><\/p>\n\n\n\n

Ein ehrlicher Blick auf die Grenzen der Genauigkeit<\/h2>\n\n\n\n

Die Rede von der \u201egenauesten Uhr der Welt“ verdeckt ein Problem, das die Metrologen selbst offen ansprechen: Eine Uhr, die auf 10\u207b\u00b9\u2079 genau geht, l\u00e4sst sich kaum noch mit anderen Uhren vergleichen. Die Lutetium-Uhren in Singapur konnten ihre \u00dcbereinstimmung nur deshalb so pr\u00e4zise zeigen, weil sie auf demselben Tisch standen und der H\u00f6henunterschied zwischen ihnen auf unter einen Millimeter genau bekannt war \u2013 Gravitation ver\u00e4ndert den Gang von Uhren auf dieser Gr\u00f6\u00dfenskala bereits messbar . Ein Vergleich zwischen Singapur und Braunschweig auf diesem Niveau ist mit heutiger Satellitentechnik nicht m\u00f6glich. Glasfaserverbindungen \u00fcber Kontinente hinweg sind Forschungsgegenstand, nicht Alltag .<\/a><\/a><\/p>\n\n\n\n

Das bedeutet: Die h\u00f6chste erreichbare Genauigkeit ist derzeit teilweise eine Laborleistung ohne unmittelbare globale Anwendbarkeit. F\u00fcr die Steuerung von UTC, f\u00fcr Navigation und f\u00fcr die allermeisten technischen Anwendungen sind C\u00e4sium-Font\u00e4nen nach wie vor v\u00f6llig ausreichend. Die optischen Uhren sind nicht deshalb besser, weil sie \u201ewahrer“ w\u00e4ren, sondern weil sie feinere Aufl\u00f6sungen erm\u00f6glichen \u2013 f\u00fcr Grundlagenphysik, Geod\u00e4sie und die Frage, ob Naturkonstanten wirklich konstant sind.<\/p>\n\n\n\n

Fazit und Ausblick<\/h2>\n\n\n\n

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 C\u00e4sium-Font\u00e4nen den kontinuierlichen Takt f\u00fcr die deutsche und internationale Zeit, und ihre optischen Uhren geh\u00f6ren zur Weltspitze der Forschung. Die Frage \u201eWarum C\u00e4sium?“ beantwortet sich nicht mit \u00dcberlegenheit, sondern mit historischer Pragmatik und institutioneller Kontinuit\u00e4t. C\u00e4sium war die beste verf\u00fcgbare Wahl, als die Wahl getroffen werden musste \u2013 und sie ist bis heute gut genug, um das Funktionieren der Welt zu garantieren.<\/p>\n\n\n\n

Die eigentliche Spannung liegt nicht darin, welche Uhr die genaueste ist. Sie liegt darin, dass die Physik schneller voranschreitet als die Infrastruktur, die n\u00f6tig w\u00e4re, um ihre Pr\u00e4zision global nutzbar zu machen. Bis mindestens 2030 bleibt C\u00e4sium der Ma\u00dfstab, an dem sich alles andere messen lassen muss \u2013 auch die Uhren, die es eines Tages abl\u00f6sen werden.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

Quellen<\/strong><\/p>\n\n\n\n

    \n
  1. BIPM: FAQ \u2013 Redefinition of the second<\/em>. Online: bipm.org\/en\/FAQ-redefinition-second<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  2. Physikalisch-Technische Bundesanstalt: Neuevaluation der prim\u00e4ren Font\u00e4nenuhren<\/em> (2018). Online: ptb.de<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  3. National University of Singapore: Singapore scientists build world’s most accurate atomic clock<\/em> (2026). Online: news.nus.edu.sg<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  4. Physikalisch-Technische Bundesanstalt: PTBnews 2016\/2 \u2013 Ytterbium- und Strontiumuhren<\/em> (2016). PDF: ptb.de<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  5. Physikalisch-Technische Bundesanstalt \/ EurekAlert: On the way to a „new“ second<\/em> (2025). Online: eurekalert.org<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  6. Hausser et al.: 115In\u207a\u2013172Yb\u207a Coulomb Crystal Clock with 2.5 \u00d7 10\u207b\u00b9\u2078 Systematic Uncertainty<\/em>. Physical Review Letters 134, 023201 (2025) <\/a><\/a><\/li>\n\n\n\n
  7. Measurement Standards Laboratory of New Zealand: Second \u2013 Definition<\/em>. Online: measurement.govt.nz<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  8. BIPM: Second \u2013 Historical perspective<\/em>. Online: bipm.org<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  9. Nature Communications: Optical atomic clocks represent the pinnacle of precision timekeeping<\/em> (2026). PDF: nature.com<\/a> <\/a><\/li>\n\n\n\n
  10. Bureau International des Poids et Mesures \/ CGPM: Vers une nouvelle d\u00e9finition de la seconde<\/em> (2026). Online: portail-qualite.public.lu<\/a> <\/a><\/li>\n<\/ol>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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