Sekunde

Die Sekunde ist die SI-Basiseinheit der Zeit. Aktuell definiert (seit 1967) als 9.192.631.770 Schwingungen der Strahlung, die bei einem bestimmten Übergang im Caesium-133-Atom am absoluten Nullpunkt im Grundzustand emittiert wird.

Historische Definitionen:

• Vor 1956: 1/86.400 eines mittleren Sonnentags. An die Erdrotation gebunden, die unregelmäßig ist.
• 1956–1967: 1/31.556.925,9747 des tropischen Jahres 1900. Löste das Problem der Rotationsunregelmäßigkeit, blieb aber willkürlich.
• 1967 bis heute: die obige Caesium-133-Atomuhr-Definition.

Moderne Atomuhren (das Ensemble des BIPM, NISTs NIST-F2) sind auf etwa einen Teil in 10¹⁶ genau – genug, dass sie über das Alter des Universums weniger als eine Sekunde vor- oder nachgehen würden. Cs-133-Uhren werden inzwischen durch noch genauere optische Gitteruhren ergänzt (ein Teil in 10¹⁸ oder besser), die die Grundlage einer künftigen Neudefinition bilden könnten.

Die Sekunde ist praktisch betrachtet die grundlegendste SI-Einheit: der Meter ist über die Lichtlaufzeit definiert, das Kilogramm über das Plancksche Wirkungsquantum, das Zeit beinhaltet, und die meisten modernen Messungen hängen letztlich von präziser Zeitmessung ab.

Für Datum-/Zeit-Umrechnungen und das verwandte Konzept der Schaltsekunden siehe unsere Datums-/Zeit-Werkzeuge.

Optische Gitteruhren und die bevorstehende Neudefinition: die Caesium-133-Definition von 1967 legte die Sekunde auf eine Präzision von ~10⁻¹⁶ fest, was damals dem Stand der Technik entsprach. Seit 2014 gebaute Strontium- und Ytterbium-Gitteruhren (NIST, JILA, RIKEN, PTB) erreichen nun eine Präzision von ~10⁻¹⁸ – 100-mal besser, als die bestehende Definition ausdrücken kann. Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat einen Fahrplan zur Neudefinition der Sekunde anhand eines optischen Übergangs gebilligt, mit Ziel 2030 oder kurz danach. Die Neudefinition wird die bestehende Sekunde im Rahmen des Messrauschens beibehalten, aber GPS, Finanzhandelssystemen und Experimenten der Grundlagenphysik erlauben, sich an einer präziseren Referenz zu verankern.

Die Sekunde steht im Zentrum des SI-Graphen: seit 2019 sind alle sieben SI-Basiseinheiten über fundamentale Konstanten definiert, und die meisten dieser Konstanten hängen implizit von der Sekunde ab. Der Meter hängt von der Lichtgeschwindigkeit ab (einer Messung, die Zeit beinhaltet). Das Kilogramm hängt vom Planckschen Wirkungsquantum ab (in Joulesekunden). Das Ampere hängt von der Elementarladung pro Sekunde ab. Die Candela hängt von Watt pro Steradiant ab (Energie pro Sekunde). Nur das Kelvin (Boltzmann), das Mol (Avogadro) und die Sekunde selbst sind unabhängig von Sekunden. Verbessert sich die Präzision der Atomuhren, verbessert sich die Präzision jeder anderen SI-Einheit mit. Referenz: BIPM SI Brochure — The second.

Durchgerechnetes Beispiel

GPS hängt in tragender Weise von der Sekunde ab. Jeder Satellit trägt eine Caesium- oder Rubidium-Uhr; die Positionsbestimmung per Trilateration nutzt die Laufzeit von Funksignalen von mindestens vier Satelliten mit Lichtgeschwindigkeit (~299.792.458 m/s). Ein Zeitfehler von nur 1 Nanosekunde entspricht einem Positionsfehler von ~30 cm: 299.792.458 m/s × 10⁻⁹ s ≈ 0,30 m. Ein Fehler von 1 Mikrosekunde wird zu 300 m, was GPS für die Straßennavigation unbrauchbar machen würde. Die Satelliten müssen außerdem die allgemeine Relativitätstheorie korrigieren (Uhren höher im Gravitationsfeld der Erde gehen ~38 Mikrosekunden pro Tag schneller als Bodenuhren) und die spezielle Relativitätstheorie (die Bahngeschwindigkeit lässt sie ~7 Mikrosekunden pro Tag langsamer gehen). Die Nettokorrektur (~38 − 7 = ~38 µs/Tag schneller) ist beim Start fest in die Satellitenuhr einprogrammiert; ohne sie würde GPS ~11 km/Tag abweichen.

Wann und warum es zählt

Über GPS hinaus liegt die Sekunde dem Zeitstempeln an Finanzmärkten zugrunde (MiFID II in Europa schreibt für Handelsplätze eine auf UTC rückführbare Uhrensynchronisation mit Mikrosekundenpräzision vor), der Phasensynchronisation von Stromnetzen (PMUs tasten hunderte Male pro Sekunde ab, um Netzinstabilität zu erkennen, bevor sie kaskadiert), der Telekommunikation (LTE/5G-Basisstationen müssen für den Handover auf 1 µs zueinander zeitsynchron sein) und der wissenschaftlichen Messung (LIGOs Gravitationswellen-Detektionen beruhen darauf, Signale von Standorten in Washington und Louisiana auf Nanosekunden genau zu korrelieren). Das PTP-Protokoll (IEEE 1588) und GPS-disziplinierte Oszillatoren ermöglichen es Rechenzentren, über tausende Server eine Zeit im Sub-Mikrosekundenbereich zu erhalten, ohne dass jeder eine eigene Atomuhr braucht. Referenz: NIST — Time and Frequency Division.