Atomuhr

Eine Atomuhr ist eine Uhr, die die Zeit durch Überwachung der Resonanzfrequenz von Atomen misst. Sie basiert auf Atomen mit unterschiedlichen Energieniveaus. Die Elektronenzustände in einem Atom sind mit verschiedenen Energieniveaus verbunden, und bei den Übergängen zwischen diesen Zuständen interagieren sie mit einer ganz bestimmten Frequenz der elektromagnetischen Strahlung. Dieses Phänomen dient als Grundlage für die Definition der Sekunde im Internationalen Einheitensystem (SI):

Die Sekunde, Symbol s, ist die SI-Einheit der Zeit. Sie wird definiert, indem man den festen Zahlenwert der Cäsiumfrequenz, Δ ν C s , die ungestörte Hyperfeinübergangsfrequenz des Cäsium-133-Atoms im Grundzustand, mit 9192631770 in der Einheit Hz angibt, die gleich s-1 ist.

Diese Definition ist die Grundlage für das System der Internationalen Atomzeit (TAI), das von einer Reihe von Atomuhren auf der ganzen Welt aufrechterhalten wird. Das System der koordinierten Weltzeit (Coordinated Universal Time, UTC), das die Grundlage der zivilen Zeitrechnung bildet, setzt Schaltsekunden ein, damit die Uhrzeit Änderungen der Erdrotation mit einer Genauigkeit von einer Sekunde verfolgen kann, während sie auf Uhren basiert, die auf der Definition der Sekunde beruhen.

Die genaue Zeitmessung der Atomuhren wird auch von Satellitennetzen wie dem Galileo-Programm der Europäischen Union und dem GPS der Vereinigten Staaten für die Navigation genutzt. Die Zeitmessgenauigkeit der beteiligten Atomuhren ist wichtig, denn je kleiner der Fehler bei der Zeitmessung ist, desto kleiner ist auch der Fehler bei der Entfernung, der sich aus der Multiplikation der Zeit mit der Lichtgeschwindigkeit ergibt (ein Zeitfehler von einer Nanosekunde oder 1 Milliardstel Sekunde (10-9 oder 1⁄1.000.000.000 Sekunde) entspricht einer Entfernung von fast 30 Zentimetern und damit einem Positionsfehler).

Die wichtigste Art von Atomuhren verwendet Cäsiumatome, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Der Hauptstandard für die Vereinigten Staaten, die Cäsium-Fontänenuhr des National Institute of Standards and Technology (NIST) mit der Bezeichnung NIST-F2, misst die Zeit mit einer Unsicherheit von 1 Sekunde in 300 Millionen Jahren (relative Unsicherheit 10-16). Die NIST-F2 wurde am 3. April 2014 in Betrieb genommen.