Entwicklung der Genauigkeit von Zeit- Messungen · Einzelne Magnesium- Ionen werden isoliert. Dann...

STULLENSEMINARE am Geologischen Institut der TU Bergakademie Freiberg: 17. Juni 2014 ____________________________________________________________________________________________________

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Entwicklung der Genauigkeit von Zeit- Messungen

ANSELM KÜHL (TU BAF)

Als Gott die Zeit erschuf, gab er den Afrikanern die Zeit und den Europäern die Uhr. (Unbekannt) Viele hundert Jahre lang war die Grundlage unserer Zeit- Messung die Drehung der Erde

um ihre Achse. Im Altertum beruhte die Bestimmung der Uhr-Zeit auf tatsächlichen

Beobachtungen der Sonne und der Sterne mit Hilfe von Schattenuhren, Sonnenuhren,

Astrolabien und Sternuhren.

Alle Uhren sind in Wesentlichen mechanische Modelle der Erde. D.h. diese Modelle

versuchen, einen speziellen Aspekt der Anordnung von Erde, Sonne und Sternen oder

genauer von deren relativen Bewegungen untereinander nachzuahmen. Sie versuchen

nämlich, den fortlaufenden Zyklus von Tag und Nacht zu erzeugen. Die Uhrmacher-

Kunst besteht seit jeher in dem andauernden Bestreben, eine mechanische Vorrichtung

herzustellen, welche mit immer größerer Genauigkeit mit der Erde im Takt bleiben

kann.

Nach Jahrhunderte langer Entwicklung gibt es heute Uhren, welche genauer sind als die

regelmäßige Drehung der Erde selbst. Diese sind keine mechanischen Instrumente mehr,

sondern elektronische Vorrichtungen, welche die Schwingungen von Atomen verfolgen.

In Verbindung mit genauen Untersuchungen der Zeit- Punkte von Sonnen- und Mond-

Finsternissen, welche im Altertum stattfanden, haben die Atomuhren gezeigt, dass sich die

Erddrehung um ihre Achse verlangsamt, u.a. durch:

Die Abbremsung der Erdrotation erfolgt u.a. durch die Anziehungskraft von Mond

und Sonne, welche die „Gezeiten-Reibung“ in Form von Ebbe und Flut verursachen.

Die zyklisch diskontinuierlich bewegten Wassermassen des Pazifik und Indik infolge

des El Niño - Effektes.

Sogar durch den herbstlichen Blätterfall auf der Nordhalbkugel mit ihrer

disproportionalen Ballung von Landmassen bewirkt eine unmerkliche, halb-

jährliche Abbremsung der Erd-Rotation.

Aber auch die Abbrems-Rate ist nicht konstant, denn es kommt zu gelegentlichen

plötzlichen, unerwarteten Verschiebungen und Sprüngen, welche auf Grund von

Massen- Verlagerungen durch Konvektions-Walzen im oberen Erdmantel und die

Platten-Tektonik, d.h. die Drift der Lithosphären-Platten bedingt ist.


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Am einfachsten ist es, über Zeit- Messungen und Kalender der verschiedensten

kulturhistorischen Epochen zu sprechen, da diese selbst wiederum zivilisatorische

Leistungen markieren und Ausdruck der Entwicklung der Geistes- und Produktivkräfte

der Menschheit waren und sind. Dazu eine zusammenfassende: Übersicht über die

Entwicklung der Genauigkeit von Zeitmessungen:

Von der SONNEN- UHR zur ATOM- UHR

<< Am Beginn wissenschaftlicher Arbeit stehen Konfusion,

unzureichende Definitionen und Motivationen, die meist

völlig andere sind als jene, die sich später entwickeln, wenn

man der Lösung näher kommt. >>

William H. Calvin (1991) << Wie der Schamane den Mond stahl >>

Es folgt eine Kurve der Entwicklung der Genauigkeit von Zeitmessungen (nach ERIKA

SCHOW, << maßstäbe >> H. 6, 2005, PTB:

~ 17 Min./d

Uhrentypen unterschiedlichsten Zeitalters unterschiedlichster Funktions-

weise und unterschiedlichster Genauigkeit

GANG- FEHLER

GESCHICHTLICHE ZEIT n. d. Z.

ZUNAHME der GANG- GENAUIGKKEIT von UHRENin den letzten 1.000 JAHREN

d = Tag

Aufgrund der logarithmischen Ordinaten- Skala der Genauigkeiten handelt es sich um

eine Potenz-Funktion der Genauigkeits- Zunahme über die (euklidische) Linear-Skala der

Zeit. Fazit:


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Immer genauer: Die Genauigkeit von Zeit- Messungen ist in Anpassung an die

jeweiligen Bedürfnisse in den letzten 1000 Jahren nicht um das 13-fache, sondern um

13 Zehner- Potenzen gestiegen.

Zuerst tüftelten die Uhr- Macher immer bessere mechanische Uhren aus.

Dann kamen die Quarz-Uhren, bei denen auch ein mechanischer Körper schwingt. Aber

hier werden die Schwingungen elektrisch angeregt und ausgezählt. Zudem schwingt

der Quarz viel schneller als ein einfaches Schwing- Pendel oder ein Dreh- Pendel, eine

Unruh.

Dann verlassen die Uhren-Bauer die Welt die klassischen Physik und tauchen

gewissermaßen in die Quanten-Welt ein: Dabei nutzen sie die noch viel schnelleren

Vorgänge im Innern von Atomuhren. Infolge dessen schnellt die Genauigkeit der

Uhren exponentiell in die Höhe: Die derzeit besten Atomuhren, die Cäsium- Fontänen,

müßten 30 Mio Jahre laufen, bis eine Gangfehler von einer Sekunde eingeschlichen

hätte.

Frage: Was ist eigentlich eine Uhr? Sie ist etwas, das einen periodischen Vorgang zählt. Ein

solcher periodischer Vorgang ist die Drehung der Erde um sich selbst. Zunächst glaubte man,

die Drehung sei absolut regelmäßig. Das stimmt - bezogen auf die absolute Genauigkeit der

Zeit- Messung - nicht!

Die Sonnenuhren haben ihren eindeutigen Nachteil, dass sie bei Wolken und Nacht nicht

funktionieren. Aber sie sind - neben wenigen einfachen technischen Hilfsmitteln - die einzigen,

welche die Drehung der Erde direkt zählen.

Durch sie wurde die Tages- Länge festgelegt, woraus später - als Grund- Einheit der

Zeit - die Länge der Sekunde abgeleitet wurde.

Eine Sekunde ist - nach kultureller Absprache - der 86.400te Teil des Tages.

Die Entwicklung der Uhren lief gewissermaßen daneben ab: Man versuchte, die

„irdische“ Sekundenlänge möglichst gut zu treffen, indem man andere fassbare

periodische Abläufe zählte, z. B. das Tropfen von Wasser von einem Gefäß in ein anderes.

Zu den zivilisatorischen Zeit- Marken, welche die Zeitmess-Geräte selbst darstellen:


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Wasseruhr China

Pendeluhr von Christian Huygens(Pendelschwinger)

Räderuhr(horizontaler

Federschwinger)

(1) Wasser- Uhr, Zeitpunkt 1094 v. d. Z.:

Ab etwa 1500 v. Z. gibt es Wasser-Uhren in den verschiedensten Formen: Von den ganz

schlichten Wassergefäßen bis hin zu der riesigen chinesischen Wasseruhr, welche im Jahre

1094 v. u. Z. von SU SONG gebaut wurde. Doch die Genauigkeit der Wasser-Uhren ist

nicht allzu groß: Sie gehen pro Tag etwa eine Viertelstunde falsch.

(2) Dann kommt eine geniale Erfindung in die Welt: Die Hemmung: Sie ist ein trickreicher

Mechanismus, um die gleichmäßige Drehung eines Rades zu stoppen. Dabei werden

das kontinuierlich angetriebene Rad in regelmäßigen Abständen kurz gestoppt und die

Umlauf- Perioden gezählt. Die mechanische Räder-Uhr ist geboren.

(3) Pendeluhr von CHRISTIAN HUYGENS 1673:

CHRISTIAN HUYGENS konstruierte eine Pendeluhr auf der Grundlage einer Idee von

GALILEO GALILEI, welche er noch wesentlich verbesserte. Mit jeder neuen Idee eines

pfiffigen Uhrmachers steigt die Genauigkeits-Kurve etwas weiter an.

(4) Harrison-Chronometer 1759:

Das Problem der Längengrad-Bestimmung - ein Kardinal- Problem für die

koordinatenmäßige Orientierung bei dem sich entwickelnden Welt- Schiffs-Verkehr -

kann, so glaubten Newton und andere Wissenschaftler, nur von einem Astronomen gelöst

werden, weil die Uhren nicht genau genug sind. Dies stimmt nicht, wie ein Tischler bewies,

welcher sich die Uhrmacher-Kunst selbst beigebracht hatte:

JOHN HARRISON baute die ersten Uhren, welche an Bord eines Schiffes pro Tag weniger

als eine Sekunde falsch gehen. Sein HARRISON-Chronometer No. 4 ging nach einer

Jamaika-Segelreise nur 5 Sekunden falsch. Damit gewinnt Harrison letztlich den von der

britischen Regierung ausgesetzten Preis von 20.000 Pfund (= 400.000 Goldmark).


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Präzisionsuhr von Clemens Riefler

Quarzuhr von Adolf Scheibe und Ulrich Adelsberger

erste Atomuhr von Harold Lyons (Ammoniak-Moleküluhr)

(5) Präzisions-Uhr von CLEMENS RIEFLER 1920

Sie gehört mit einer Abweichung von wenigen tausendstel Sekunden pro Tag zu den

besten mechanischen Uhren, welche jemals gebaut wurden. Nun ist das Prinzip der

mechanischen Uhren ausgereizt. Wie auf anderen Gebieten der Technik auch, bricht das

elektrische Zeit-Alter an.

(6) Quarz-Uhr von Adolf Scheibe und Ulrich Adelsberger 1932.

Die Quarzuhr wird geboren. Schwang das Pendel der Riefler-Uhr einmal pro Sekunde, so

schwingt ein Quarz-Piezo-Kristall 33.000- mal pro Sekunde. Diese wurde gebaut in der

Physikalisch-Technischen Reichsanstalt Berlin, der Vorgängerin der Physika-lisch-

Technischen Bundessanstalt Braunschweig(PTB). Quarzuhren gehen pro Tag nur etwa

200 Mikrosekunden (= 2* 10-6 s) falsch. Mit diesen Uhren gelingt es erstmals, die

Schwankungen der astronomischen Tageslänge nachzuweisen: Die Erd-Rotation liefert

kein genügend genaues Zeitmaß. Es werden erste Überlegungen angestellt, ob man nicht

die Definition der Sekunde verändern sollte.

(7) Erste Atom-Uhr von Harold Lyons am NBS, USA 1949

Währenddessen werden folgende Überlegungen angestellt: Die Nutzung noch schnellere

periodische Vorgänge, um die Zeit zu quanteln z. B. die Vorgänge im Innern von

Molekülen und Atomen. Lyons baut die erste Atomuhr der Welt. Genau genommen ist es

eine Ammoniak-Molekül-Uhr. Sie brachte jedoch nicht den erhofften Genauigkeits-

Gewinn, denn sie ist kaum besser als eine Quarz-Uhr.


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erste Cäsium- Uhr von Louis Essen und John Parry 1955

Atomuhren - Entwicklungin der Physikalisch-

Technischen VersuchsanstaltBraunschweig (PBT)

1969 bis 1992

Cäsium- Fontänenuhr der PTB 1999

erste Cäsium- Fontänenuhrdes Laboratoire Primaire du

Temps de Frequences (LPTF) in Paris 1994

(8) Erste Cäsium-Uhr von Louis Essen und John Parry 1955

LOUIS ESSEN UND JOHN PARRY vom englischen National Physical Laboratory (NPL) bauen

die weltweit erste funktionierende Cäsium- Atomuhr. Trotzdem wird die Sekunde

paradoxerweise noch einmal nach astronomischen Gegebenheiten definiert: Die

Ephemeriden-Zeit ist definitionsgemäß eine streng gleichförmig ablaufende Zeit

entsprechend den Gesetzen der Himmels-Mechanik. Man erhält sie aus einem

Vergleich der beobachteten scheinbaren Örter der Sonne und des Mondes mit den auf

Grund der Bewegungs-Gleichungen der Himmels- Mechanik berechneten Örtern, also

den Ephemeriden der Sonne und des Mondes.

1967 passt man dann die Definition der Basis-Einheit Sekunde der technischen Uhren-

Entwicklung an: Danach ist die Sekunde das 9.192.631.770-fache der Perioden-Dauer

des Grundzustandes von Atomen der dem 133Cs-Nuklid entsprechenden Strahlung.

Und das gilt bis heute.


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Grobschema einer Atomuhr

ELEKTROMAGNETISCESWECHSEL- FELD

EINKOPPELN

~ f0

Nachweis-Signal

Regel-Signal

Normalfrequenz (5 MHz)

(3)

(1)

(2)

(4)

(5)

(6)

fp = Frequenz des

elektromagnetischen

Wechsel- Feldes

f0 ist die abgestrahlte

Typus- Frequenz des Atoms

beim Übergang zwischen

zwei Energie- Zuständen im

Frequenz- Generator.

(9) 1969, 1986, 1988 und 1992 Atom-Uhren-Entwicklung der PTB

Erste Inbetriebnahmen einer Atom- Uhr in der PTB CS1 mit Verfeinerungen bis CS4.

Sie bekommen beim Vergleich mit den weltweit besten Uhren regelmäßig gute Noten

und tragen daher entscheidend zu Internationalen Atomzeitskala TAI bei.

(10) 1994: Im Laboratoire Primaire du Temps de Frequences (LPTF) in Paris wird die erste

Cäsium-Fontänen-Uhr (FO1) der Welt in Betrieb genommen.

(11) 1999: Die erste Cäsium-Fontänen-Uhr der PTB geht in Betrieb und bekam 2005

eine weiter entwickelte Uhr. Und die Optischen Atomuhren auf Laser-Basis - werden

noch genauer:

(12) 2012 entwickelten die Nobelpreis-Träger DAVID WINELAND vom US-amerikanischen

National Institute of Standards and Technology (NIST) und SERGE HAROCHE aus

Paris zusammen mit der Universität von Colorado eine Strontium-Gitter-Uhr, welche

sowohl die größte punktuelle Genauigkeit als auch die Gleichmäßigkeit im Dauer-

Betrieb besitzt. Die in der Uhr angeregten Strontium- Atome schwingen 430 Billionen

Mal in der Sekunde, wodurch ein Gang- Fehler von einer Sekunde Abweichung in 5

Milliarden Jahren erreicht wird.

ALTERNATIVEN zu den Atom- Uhren sind die

(13) Pulsar-Uhren: Es sind Zeitmess-Geräte, welche die Gamma- Strahlen- Signale eines

Neutronen-Sterns (Pulsars) nutzen. Für die Zeit- Messungen ist folgende

Eigenschaft der Pulsare von entscheidender Bedeutung: Pulsare besitzen eine hohe

Rotations-Stabilität, d.h. sie halten die Dauer einer Drehung um ihre Achse mit

extremer Genauigkeit ein. Für die Eichung der Mess-Ergebnisse der Signale


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verschiedener Pulsare mit Normierung und Abgleich mit den Atom- Uhren sind

noch umfangreiche Forschungs- Arbeiten notwendig, siehe

Detail- SPEKTRUM der emittierten GAMMA- STRAHLUNG(Tscherenkow- Impulse) eines MILLISEKUNDEN- PULSARS

HINTERGRUND

MAGIG = Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov= energiereichste kosmische (Gamma-) Tscherenkow- Strahlung

MARKANTE PIKS gegenüber dem Strahlungs- Hintergrund► mit signifikanten HALBEN ROTATIONS- PERIODEN DES PULSARS

Ganze Rotations- Periode des Pulsars

Halbe Rotations- Periode des Pulsars

(14) Optische Quanten-Atom-Uhren: Diese funktionieren nach WINELANDS Prinzip:

Einzelne Magnesium- Ionen werden isoliert. Dann werden sie in einer tiefgekühlten

Vakuum-Kammer mit Hilfe von elektrischen Feldern fixiert und aufgereiht. Durch

gezielten Beschuß mittels Laser- Strahl wird bei einzelnen Ionen eine Überlagerung

von zwei unterschiedlichen Energie- Zuständen erreicht und registriert.

Durch einen schwachen Impuls wird der Zustand eines solcherart angeregten Ions

auf ein benachbartes Teilchen übertragen, ohne dass ein direkter Kontakt zwischen


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beiden besteht. Durch diese Verschränkung beider Ionen als Zwillings-Paar werden

erreicht: Eine Schwingungs- Messung an einzelnen Atomen, welche zu einer

Erhöhung der Schwingungs-Anzahl und einer weiterer Verkleinerung Zeitmess-

Gerätes führt. Nach diesem Prinzip unter Verwendung von Aluminium-Ionen will

PIET SCHMIDT vom QUEST - Institut (Center for Quantum Engineering and Space-

Time Forschung) der PTB eine Atom-Uhr bauen, welche in 14 Mrd. Jahren nur eine

Sekunde „falsch“ geht.

Literatur: Ztschr. << maßstäbe >> Magazin der PTB (2005) - Autorenkollektiv: Zeitgeschichten, S. 6 - 57;

Ztschr. << Der Spiegel >> 42/2012 - Hilmar Schmundt: Eine Sekunde seit dem Urknall

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