Wie andere Größen auch, ist die zweite nur ein relatives Konzept, das auf der Konvention von
1875, 17 führende Länder der damaligen Zeit, darunterdarunter Österreich-Ungarn, das Russische und das Osmanische Reich, Frankreich, Deutschland, die Vereinigten Staaten und Brasilien, unterzeichneten die Metric Convention - einen internationalen Vertrag, der die Einheit der Messstandards in verschiedenen Ländern sicherstellt. Um einheitliche Grundsätze zu entwickeln und Referenzmessungen durchzuführen, gründeten die Staaten das Internationale Büro für Maß und Gewicht.
Auf der 27. Tagung für Maß und GewichtVertreter verschiedener Länder waren sich einig, dass die moderne Definition der Sekunde die erforderliche Messgenauigkeit nicht mehr erfüllt und überarbeitet werden muss. Der Fahrplan sieht vor, dass die Länder beim nächsten Treffen in vier Jahren ein neues, genaueres Referenzsystem wählen und den Wortlaut des zweiten ändern müssen.
Erste Messungen einer Sekunde
Seit Jahrhunderten haben die Menschen die Zeit gemessendie Rotation der Erde. Von den alten Ägyptern bis zu den griechischen Astronomen und Babyloniern änderte die Menschheit allmählich die Genauigkeit der Messungen, was neue Zeiteinheiten und mit der Entwicklung der Technologie ihre Vereinheitlichung und Synchronisierung erforderte.
Die allerersten mechanischen Uhren, die in erschienenXIV Jahrhundert, es gab nicht einmal Minuten. Die Zifferblätter wurden in Hälften, Drittel, Viertel und manchmal sogar in 12 Teile von Stunden, aber nie in 60 geteilt. Die ersten mechanischen Uhren mit Minutenanzeige erschienen gegen Ende des 16. Jahrhunderts. Gleichzeitig schalteten mechanische Uhren im Gegensatz zu Sonnenuhren, die die scheinbare Zeit anzeigten, auf die Durchschnittszeit um.
Tatsache ist, dass die Umlaufbahn der Erde um die Sonne dazu führt, dassDie scheinbare Sonnenzeit verwendet die Zeit zwischen den beiden Momenten, in denen unser Stern im Zenit steht, als Definition des Tages.In diesem Fall werden Bruchteile (Stunden und Minuten) basierend auf der Bewegung der Sonne bestimmt.
In der Tat, gemessen anAlternative Systeme, zum Beispiel die Anzahl der Bewegungen des Pendels in einer mechanischen Uhr, stellt sich heraus, dass die Dauer solcher Tage unterschiedlich ist. Die Länge eines Sonnentages variiert im Laufe des Jahres, und der kumulative Effekt verursacht saisonale Abweichungen von bis zu 16 Minuten vom Durchschnitt.
Die ersten Uhren mit Sekundenanzeige erschienen in der zweiten Hälfte des 16. Jahrhunderts.Die frühesten bekannten Federuhren mit Sekundenzeiger stammen aus der Zeit um 1560–1570.Gleichzeitig zeichneten sich alle ersten Analoga durch eine unzureichende Genauigkeit aus.
Im Jahr 1656 gründete der niederländische Wissenschaftler Christiaan Huygenserfand die erste Pendeluhr. Es hatte ein knapp einen Meter langes Pendel, das ihm eine Schwingung von einer Sekunde ermöglichte, und einen Auslösemechanismus, der jede Sekunde tickte. Es wird angenommen, dass dies die erste Uhr war, die die Zeit in Sekunden genau anzeigen konnte.
Henlein-Taschenuhr, frühes 16. Jahrhundert. Bild: Germanisches Nationalmuseum
Von einem Bruchteil eines Tages bis zur Rotation der Erdumlaufbahn und Atommessungen
Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts die Genauigkeit der Sekundenmessungerreichten solche Höhen, dass sie die Grundlage des internationalen metrischen Systems der ISS bildeten, das 1889 von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht festgelegt wurde. Der Meter wurde als Grundeinheit für die Länge, das Kilogramm für das Gewicht und die Sekunde für die Zeit zugelassen. Letzterer wurde als 1/86400 des durchschnittlichen Sonnentages definiert.
Seit der Umlaufbahn der Erde um die Sonnestabiler als die Rotation eines Planeten um seine Achse, wurde diese Definition später geändert und in Bruchteilen eines Jahres ausgedrückt: 1 ⁄ 31.556.925,9747 eines Jahres. Um die Unsicherheit weiter zu verringern, wurde gleichzeitig eine Ephemeriden-Zeitskala verwendet, die auf der Grundlage der Position der Umlaufbahnen von Planeten und Sternen im Jahr 1900 berechnet wurde.
1967, nach jahrzehntelanger Forschung,Wissenschaftler gaben die Rotationsmethode der Erde auf und definierten die Zeit neu, indem sie stattdessen die Bewegungen von Teilchen innerhalb eines Atoms maßen. Insbesondere nutzt die aktuelle Definition die Eigenfrequenzresonanz von Cäsium-133 zur Berechnung. Von diesem Moment an wird die Sekunde durch einen festen Zahlenwert der Schwingungsfrequenz des Cäsiumatoms bestimmt.
Wie funktioniert die Atomzeit?
Frühe atomare Zeitskalen bestanden ausQuarzuhren, deren Frequenzen ausschließlich mit Atomuhren kalibriert wurden. Sie basieren auf einem System von Atomen, die sich in einem von zwei möglichen Energiezuständen befinden können.
Eine Gruppe von Atomen in einem Zustand unterliegt einem ZustandMikrowellenstrahlung. Wenn die Strahlung die richtige Frequenz hat, wechseln mehrere Atome in einen anderen Energiezustand. Je näher die Frequenz an der natürlichen Schwingungsfrequenz der Atome liegt, desto mehr Atome wechseln ihren Zustand.
Dies ermöglicht eine sehr genaue Frequenzabstimmung.Mikrowellenstrahlung. Sobald die Mikrowellenstrahlung auf eine bekannte Frequenz abgestimmt ist, kann sie als Zeitgenerator zum Messen der verstrichenen Zeit verwendet werden.
Internationale Atomzeit istein zeitgewichteter Durchschnitt von mehr als 450 Atomuhren in mehr als 80 nationalen Laboren auf der ganzen Welt. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, Verzerrungen im Zusammenhang mit der gravitativen Zeitdilatation zu vermeiden.
Die Stunden in verschiedenen Einrichtungen werden regelmäßig verglichenmiteinander über Satellitenkommunikation und GPS. Das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Frankreich) kombiniert diese Messungen, um einen rückblickenden gewichteten Durchschnitt zu berechnen, der eine möglichst stabile Zeitskala bildet.
Die erste Atomuhr der Welt. Bild: National Physical Laboratory, gemeinfrei, über Wikimedia Commons
Was wollen sie ändern?
Die Weiterentwicklung der Technik erlaubt noch mehrdie Messgenauigkeit weiter verbessern. Als Alternative zur klassischen Cäsium-Uhr schlagen Physiker zum Beispiel vor, eine optische Uhr zu verwenden. Diese Uhren nutzen das höherfrequente „Ticken“ von Elementen wie Strontium und Ytterbium, wodurch sie die Zeit in noch kleinere Stücke zerlegen können.
Die Schwierigkeit liegt bisher darin, dass der BeamteZeit kann nicht allein mit Uhren erzeugt werden. Metrologen müssen die Messwerte von Hunderten von Stunden auf der ganzen Welt mitteln. Bei Cäsiumuhren kann die Zeit mit Mikrowellensignalen übertragen werden, aber diese Strahlung ist zu niederfrequent, um das Ticken einer optischen Uhr zu übertragen.
Im Gegenteil: Übertragung von Signalen über die LuftOptische Wellenlängen sind nicht so einfach wie das Senden von Mikrowellen, da Moleküle in der Luft Licht leicht absorbieren und so die Signalstärke drastisch verringern. Darüber hinaus können Turbulenzen den Laserstrahl vom Ziel weglenken.
Änderungen in dieser Richtung sind jedoch möglichFortschritte, so präsentierten kürzlich chinesische Wissenschaftler die Ergebnisse ihrer Arbeiten zur Synchronisation optischer Uhren in 117 km Entfernung. Das ist das Siebenfache des bisherigen Rekords. Die weitere Entwicklung in diese Richtung wird dazu beitragen, die Genauigkeit der Sekundenbestimmung um das 100-fache oder mehr zu verbessern.
Durch Beschluss der Konferenz für Maß und GewichtDie Teilnehmer werden ermutigt, weiterhin alternative Methoden zur Messung und Synchronisierung der Zeit zu entwickeln. Darauf aufbauend werden bis zur nächsten Sitzung im Jahr 2026 Vorschläge für eine neue Norm und Übergangsfrist formuliert.
Optische Ytterbium-Atomuhr. Bild: NIST
Schaltsekunde
Ist das noch eine Frage des neuen Standardswenig Unsicherheit, dann wird endlich eine weitere Änderung akzeptiert, die sich auf die vorläufigen Standards auswirken wird. Schon 2035 soll die Welt auf Schaltsekunden verzichten.
Der springende Punkt ist der Übergang zur präzisen MessungZeit basierend auf Atomuhren haben Wissenschaftler herausgefunden, dass der durchschnittliche Tag nicht gleich 86.400 Standardsekunden ist. Der Unterschied beträgt nur wenige Millisekunden, summiert sich aber mit der Zeit.
Die Lösung waren Schaltsekunden:Korrekturen von einer Sekunde wurden Ende Dezember oder Juni auf Ad-hoc-Basis vorgenommen. Die Änderungen wurden geplant, um sicherzustellen, dass das von uns verwendete Zeitmesssystem, die koordinierte Weltzeit (UTC), nie um mehr als 0,9 Sekunden von der Atomzeit abweicht.
Da solche Änderungen einmalig warenCharakter, "Schalt"-Sekunden verursachten große Schwierigkeiten für Software, Energie und Satellitensysteme. Erstens ist es schwierig, genau vorherzusagen, wann die nächste Schaltsekunde benötigt wird, sodass sich Programmentwickler nicht auf geordnete, regelmäßige Einfügungen vorbereiten können. Daher haben verschiedene Netzwerke ihre eigenen inkonsistenten Methoden zum Einbeziehen der Schaltsekunde entwickelt.
Darüber hinaus modernes globales ComputingSysteme sind enger miteinander verbunden und abhängiger von supergenauem Timing, manchmal bis auf Milliardstel Sekunden. Das Hinzufügen einer zusätzlichen Sekunde erhöht das Risiko, dass Systeme, die für Telekommunikationsnetze, Stromübertragung, Finanztransaktionen und andere wichtige Unternehmen verantwortlich sind, ausfallen oder sich nicht synchronisieren.
Um dieses Problem zu vermeiden, haben sich Wissenschaftler verabschiedeteine Entscheidung, diese Einsätze ab 2035 auslaufen zu lassen. Seit 1972, in den letzten 50 Jahren, betrug der Unterschied zwischen UTC und internationaler Atomzeit nur 37 s, wobei 10 s sofort hinzugefügt und weitere 27 s später eingefügt wurden. Wissenschaftler schlagen vor, die Differenz, die sich bis 2035 ansammeln wird, zu beheben und sie mindestens in den nächsten 100 Jahren nicht zu ändern.
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