28.03.2021, 10:31 Uhr

Braunschweig. Welche Zeit gilt, ist nicht nur geografisch, sondern auch politisch bestimmt. In Deutschland setzt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) mit dem Betrieb hochgenauer Atomuhren das "Zeitgesetz" von 1978 in der Löwenstadt um. Nicht nur Bahnhofsuhren gehen nach "Atomzeit", das gesamte Informationszeitalter wäre ohne diese Apparate überhaupt nicht möglich. Klingt kompliziert? regionalHeute.de hat sich für Sie am Puls der Zeit einmal nach Erklärungen umgehört.

Da die Erde eine Kugel ist, sollte es weltweit 24 Zeitzonen geben, damit jeweils um eine Stunde versetzt überall - ungefähr - mittags um 12 die Sonne im Zenit steht. Hierzu wird die Erde anhand fiktiver Linien, die vom Nordpol zum Südpol verlaufen in Abschnitte unterteilt. Die Basis stellt der durch England verlaufende sogenannte "Nullmeridian" dar. Dort gilt die "koordinierte Weltzeit" (UTC). Bewegt man sich in den Abschnitten weiter nach Osten, wird zur "UTC" immer wieder eine Stunde addiert. So gilt in Deutschland UTC+1, in Polen UTC+2, und so weiter. Weiter westlich werden Stunden abgezogen. Auf der anderen Seite der Welt, im Pazifik, verläuft daher die "Datumsgrenze", passiert man diese beispielsweise mit einem Schiff, endet auf der einen Seite der Tag, der auf der anderen gerade beginnt. Eine kalendarische Zeitreise, sozusagen.

Zeit ist ein Politikum

Die Realität weicht jedoch bisweilen erheblich von diesem Modell ab. In China beispielsweise herrscht überall dieselbe Zeit, obwohl das Land sich über ganze fünf Zeitzonen erstreckt. Deutschland und eine Vielzahl europäischer und afrikanischer Länder teilen sich die mitteleuropäische Zeit (MEZ). Welche Zeit gilt, ist eine politische Angelegenheit. "Es gibt in Deutschland ein Zeitgesetz. Und die PTB hat den Auftrag, die Zeit zu verbreiten. Und traditionell ist die Verbreitung von Zeitsignalen eine Dienstleistung des Staates und ein Stück Infrastruktur für unser Land, die wir für alle kostenlos zur Verfügung stellen", erläutert Dr. Andreas Bauch, Leiter der Arbeitsgruppe "Zeitübertragung" an der PTB. Den Impuls für die Sekunden geben die Atomuhren der Bundesanstalt.

Was macht eine Atomuhr?

Den Atomuhren gehört in Braunschweig eine eigene, klimatisierte Halle. Gleich mehrere von ihnen zählen dort die Sekunden - und machen sonst erst einmal nichts. Eine Atomuhr weiß nicht, wie spät es ist. Sie weiß nur, wie lang eine Sekunde ist. Eine Sekunde sollte annähernd dem 86.400. Teil eines Tages entsprechen. Wie beispielsweise das Kilogramm ist auch die Sekunde eine menschengemachte Maßeinheit. Den Anfang der sonnenunabhängigen Zeitmessung machte die Schwingung eines Pendels, wie an Großvaters Standuhr, dieses wurde abgelöst durch eine aufgezogene Feder. Im elektrischen Zeitalter wurde schließlich der Quarz als sogenannter "Oszillator" entdeckt, dessen Schwingungen sich sehr präzise in eine Sekunde umsetzen lassen.

Den Physikern war das immer noch zu ungenau. 1967 einigte man sich bei der Länge einer Sekunde darauf, sie anhand der subatomaren Schwingungen von Caesiumatomen festzumachen. Caesium ist ein Alkalimetall, das beim Wechsel zwischen zwei Energiezuständen sehr exakte Schwingungen abgibt. So exakt, dass die Maßeinheit "Sekunde" 1967 international danach definiert wurde. So konnte weltweit eine einheitliche und mittels präziser Instrumente messbare Definition geschaffen werden - dieser Ehrgeiz in der immer präziseren Ermittlung einer Sekunde stellt sich als unschätzbare Vorarbeit für das moderne Informationszeitalter heraus.

Wozu braucht es die Präzision einer Atomuhr?

"Eine Atomuhr hat vieles gemeinsam mit einer Uhr, die jeder Zuhause hat. Am einfachsten ist da noch die Quarzuhr zu verstehen", setzt Dr. Bauch an und erklärt: "Der Taktgeber in einer Quarzuhr ist ein elektrischer Schwingkreis, dessen Taktfrequenz geregelt wird über einen Quarz. Dieser Schwingkreis schwing 32.000 mal in der Sekunde - somit ist nach 32.000 Perioden dieser Schwingung eine Sekunde vergangen. Der Sekundenzeiger bewegt sich weiter." Für den Langzeitbetrieb sei diese Technik jedoch zu ungenau. "Wenn Sie eine gute Quarzuhr haben, hat die vielleicht eine Abweichung von einer Sekunde in der Woche. Unsere Uhren haben eine Abweichung von einer Sekunde in fünf Millionen Jahren." Wie wichtig das ist, erklärt der Wissenschaftler an einem Beispiel. "Wenn Sie ein Navigationssystem benutzen, beruht die Positionsbestimmung auf der Messung der Zeit, welche die elektromagnetischen Signale zwischen dem Satelliten und dem Empfänger, also dem Navigationsgerät brauchen. Ein Messfehler von nur einer milliardstel Sekunde entspräche einem Ortsfehler von 30 Zentimetern." Dabei verfügt auch der Satellit über eine eigene Atomuhr, erklärt Dr. Bauch: "Ein solches System würde es überhaupt nicht geben, wenn es nicht vorher die technischen Voraussetzungen in Form der Atomuhren gegeben hätte, man muss es so rum sehen." Die Atomuhr hat es so längst aus der Halle an der PTB hinausgeschafft. Allein in Braunschweig wird es, so Dr. Bauch, mehr als 100 Atomuhren geben. Etwa zwölf große und mehrere kleine allein in der Bundesanstalt.

Wozu so viele Atomuhren?

"Moderne Menschen haben mehr als ein Smartphone, und da kann ich wirklich nur sagen, da reicht wirklich eins", scherzt der Wissenschaftler auf die Frage, wozu es eigentlich mehr als ein Dutzend Atomuhren gibt. "Die CS1 wurde im Jahr 1969 gebaut, mit der hatten wir vergangenes Jahr 50-jähriges Betriebsjubiläum", erklärt Dr. Bauch stolz. "Die CS2 ist dann 1986 fertig geworden. Der Gedanke dahinter war einfach, dass wir mehrere Uhren dieser Qualität brauchen. Nichts ist perfekt und alles kann ausfallen."

Redundanz sei das Prinzip - und Forscherdrang: "1999 kam die nächste Generation Uhren. Die CSF1 und CSF2. Die sind gebaut worden mit dem Anspruch, es einfach besser zu machen als die Alten. Und es muss ja Fortschritt geben." Bauch deutet auf ein verhülltes Objekt, versteckt hinter Balustraden: "Das ist der Versuch, eine ultragenaue Uhr zu bauen, die nicht stationär ist, die man trotzdem transportieren kann. Die man einfach hinstellt, man drückt auf einen Knopf und sie funktioniert. Forschung und Entwicklung gehört zu unserem Leben dazu."

Zwischen 1988 und 2005 waren sogar noch zwei weitere Uhren am "ticken". Die CS3 und die CS4. Letztere wurde ausgemustert - die CS3 kann im Braunschweigischen Landesmuseum am Burgplatz besichtigt werden.

Was passiert während der Zeitumstellung an der PTB?

Was in der aktuellen Situation rund um das Coronavirus auch noch wichtig ist - alles passiert vollautomatisch. Auch wenn niemand in der PTB ist, ticken die Uhren weiter. Die Zeitumstellung interessiert die Atomuhren recht wenig. DCF77 heißt das Programm, das die Funkuhren steuert und die Signale der Atomuhr in die auf Uhren angezeigte Zeit umsetzt - auch die Sommerzeit. Ganz ohne Eingriff von außen. Bei einem Stromausfall übernimmt eine Notstromversorgung. Neben Internet, Telefon und Satellit wird die Zeit zusätzlich über einen leistungsstarken Langwellensender in Mainflingen bei Frankfurt ausgestrahlt, deren entscheidender Vorteil ihre Signalstärke ist. "Gegenüber Zeitübertragungsverfahren mit Satelliten haben Langwellensignale einen entscheidenden Vorteil: Sie dringen in Gebäude ein und ihr Empfang wird durch Hindernisse wie Bäume oder Hochhäuser nicht nennenswert beeinträchtigt", erläutert die PTB auf ihrer Website. Es müsste also einiges passieren, damit die Uhren in Braunschweig ihr "Ticken" nicht mehr in die Welt senden können. Trotz ihres an andere Dinge wie "Atomkraftwerke" erinnernden Namens geht von den Atomuhren auch ohne Überwachung keine Gefahr aus: "Hier ist nichts radioaktiv, hier können wir dabei sein und die Uhren sind völlig ungefährlich!", erklärt Dr. Andreas Bauch abschließend.