Die Zeitmessung kann so einfach sein wie das Zählen von „einem Mississippi, zwei Mississippi . . .“ bevor Sie im Hinterhoffußball blitzen oder das Hin und Her eines Pendels in einer Standuhr verfolgen.
In beiden Fällen besteht der Trick darin, die Intervalle von etwas zu zählen, das wiederholt mit so wenig Variation wie möglich auftritt. Ein Pendelschwung, sagen wir, oder ein ‚Mississippi‘ entspricht fast einer Sekunde, die Einheit der Zeitmessung, die, wie wir wissen, Minuten und Stunden umfasst.
Aber selbst die besten mechanischen Pendel und Quarz-basierten Uhren entwickeln Diskrepanzen. Viel besser für die Zeitmessung ist die natürliche und exakte „Vibration“ in einem energetisierten Atom.
Wenn sie bestimmten Strahlungsfrequenzen wie Radiowellen ausgesetzt werden, „springen“ die subatomaren Teilchen, die Elektronen genannt werden, die den Kern eines Atoms umkreisen, zwischen Energiezuständen hin und her. Uhren, die auf diesem Springen innerhalb von Atomen basieren, können daher eine äußerst präzise Möglichkeit bieten, Sekunden zu zählen.
Es ist daher nicht verwunderlich, dass der internationale Standard für die Länge einer Sekunde auf Atomen basiert. Seit 1967 ist die offizielle Definition einer Sekunde 9.192.631.770 Zyklen der Strahlung, die ein Atom des Elements Cäsium dazu bringt, zwischen zwei Energiezuständen zu schwingen.
In einer Cäsiumatomuhr werden Cäsiumatome in eine Röhre geleitet, wo sie Radiowellen passieren . Wenn diese Frequenz genau richtig ist, 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde, dann „schwingen“ die Cäsiumatome und ändern ihren Energiezustand.
Ein Detektor am Ende der Röhre verfolgt die Anzahl der Cäsiumatome, die ihren Energiezustand geändert haben. Je feiner die Radiowellenfrequenz auf 9.192.631.770 Zyklen pro Sekunde eingestellt ist, desto mehr Cäsiumatome erreichen den Detektor.
Der Detektor gibt Informationen in den Radiowellengenerator zurück. Es synchronisiert die Frequenz der Radiowellen mit der maximalen Anzahl der darauf auftreffenden Cäsiumatome. Andere Elektronik in der Atomuhr zählt diese Frequenz. Wie bei einem einzigen Pendelschwung wird eine Sekunde abgehakt, wenn die Frequenzzählung erreicht ist.
Die ersten hochwertigen Atomuhren aus den 1950er Jahren basierten auf Cäsium, und solche Uhren, die im Laufe der Jahrzehnte präziser geschliffen wurden, bleiben die Grundlage, um die offizielle Zeit auf der ganzen Welt zu halten.
In den Vereinigten Staaten werden die Top-Uhren von den National Institutes of Standards and Technology (NIST) in Boulder, Colorado, gewartet. Das United States Naval Observatory (USNO) in Washington, D.C.
Die Cäsium-Atomuhr NIST-F1 kann eine Frequenz erzeugen, die so präzise ist, dass ihr Zeitfehler pro Tag etwa 0,03 Nanosekunden beträgt, was bedeutet, dass die Uhr in 100 Millionen Jahren eine Sekunde verlieren würde.
Super-genaue zeitmessung ist integraler bestandteil vieler elemente des modernen lebens, wie high-speed elektronische kommunikation, elektrische netze und die Global Positioning System (GPS) und natürlich zu wissen, wenn ihre lieblings fernsehen zeigen kommt auf.
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