GMT und UTC: Weltzeit und Cäsium-Atomuhren

​​Die Messung der Zeit ist eine der grundlegenden menschlichen Erfassungen, die die moderne Gesellschaft bis ins Mark prägt. Von den bescheidenen Anfängen der Greenwich Mean Time (GMT) bis zu den faszinierenden Entwicklungen bei optischen Uhren, hat sich die Zeitmessung stetig weiterentwickelt.

In diesem Artikel werden wir einen Blick auf diese Evolution werfen und die neuesten Entwicklungen in der globalen Zeitmessung erkunden.

Die Rolle der Atomuhren

Bereits im Jahr 1884 hat man sich auf der Washingtoner Meridiankonferenz darauf geeinigt, die Greenwich Mean Time (GMT) als allgemein gültige Weltzeit festzulegen. Anfangs wurde die GMT durch astronomische Messungen der Sternwarte von Greenwich festgelegt.

Seit 1972 wurde die Weltzeit von Atomuhren festgelegt und heißt Koordinierte Weltzeit (UTC). Im Flugverkehr, in der Raumfahrt, bei einigen Forschungsprojekten sowie im Internet wird diese Koordinierte Weltzeit ganz selbstverständlich genutzt, sonst würde dort heilloses Durcheinander herrschen.

Seit Jahren legen nun Cäsium-Atomuhren weltweit den Zeitstandard bzw. die Normalzeit fest. Zukünftig soll der optische Übergang von Strontium-Atomen in optischen Uhren genutzt werden, um die Zeit neu und noch einmal rund 100 mal präziser zu definieren.

Internationale Zusammenarbeit

Zur Erreichung des neuen weltweiten Zeitstandards werden die Zeitsignale von ultragenauen optischen Uhren zwischen Deutschland und Frankreich ausgetauscht, wobei ein 1.400-Kilometer langes Glasfaserkabel die präzisesten Uhren der Welt in Braunschweig und Paris miteinander verbindet.

Die Entwicklung optischer Uhren stellt einen Meilenstein in der Präzision der Zeitmessung dar, indem sie eine Synchronisation mit einer zuvor unvorstellbaren Genauigkeit ermöglicht. Diese Uhren erreichen eine relative Unsicherheit von lediglich ein Milliardstel eines Milliardstels. 

Aktuell bieten optische Uhren die exakteste Methode zur Zeitmessung und bilden eine solide Basis für eine mögliche Neudefinition der Sekunde, die zentrale Zeiteinheit unseres internationalen Einheitensystems.

Herausforderungen im Übergang

Doch bevor man die Sekunde in optischen Uhren neu definieren kann, braucht man zunächst eine Möglichkeit, in einem Netzwerk Zeitsignale mit der erforderlichen Genauigkeit auszutauschen, während man die Signale der heutigen Cäsium-Atomuhren noch über Satelliten weltweit verbreiten kann.

Innovationen im Weltraum

Alternativ dazu befindet sich an Bord des neuen chinesischen Raumlabors „Tiangong 2“ die weltweit erste „kalte“ Atomuhr im All (Cacs). Nach Angaben von Wissenschaftlern variiert eine solche Präzisionsuhr alle 30 Mio. Jahre nur um 1 Sekunde, wodurch sich Schwankungen bei Experimenten im All besser entdecken lassen.

Die ungleichmäßige Rotation der Erde

Unser Planet vollführt seine Rotation um die eigene Achse tatsächlich in etwa 24 Stunden, doch präzise gemessen, dauert ein solcher Umlauf marginal länger. 

Um die Präzision der globalen Zeitmessung, basierend auf Atomuhren, zu gewährleisten und deren Synchronisation mit dem natürlichen Tag-Nacht-Wechsel der Erde auch auf Dauer zu erhalten, wird diese geringfügige Abweichung periodisch korrigiert. Diese Anpassungen sind entscheidend, um eine konstante und genaue Zeitmessung sicherzustellen, die für zahlreiche technologische und wissenschaftliche Anwendungen unerlässlich ist.

Die Zukunft der Schaltsekunden

Die Rotation unseres Planeten erfährt durch die Gravitationskräfte des Mondes eine allmähliche Verlangsamung. Überraschenderweise registrierte man im Jahr 2020 eine Beschleunigung dieses Vorgangs, entgegen der langfristigen Entwicklung. Diese Schwankungen könnten durch geologische Ereignisse wie Erdbeben oder durch Veränderungen im Klimasystem beeinflusst werden. 

Die Möglichkeit, die koordinierte Weltzeit (UTC) durch das Einfügen einer negativen Schaltsekunde anzupassen, um diese Unregelmäßigkeiten auszugleichen, stellt eine technische Herausforderung dar, da eine solche Korrektur bisher noch nicht vorgenommen wurde.

Eine neue Resolution

Auf das Einfügen von Schaltsekunden soll nach einem im Jahr 2022 gefassten Beschluss einer Internationalen Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) im französischen Versailles nicht weiterzuführen. 

Ab dem Jahr 2035 wird ein neuer Ansatz in der Zeitmessung verfolgt: Die bisherige Praxis, Schaltsekunden einzufügen oder zu entfernen, um die Koordinierte Weltzeit (UTC), die auf Atomuhren basiert, mit der durch die Erdrotation bestimmten Universalzeit (UT1) abzugleichen, wird nicht weitergeführt. 

Dies bedeutet, dass die UTC und die UT1 fortan um mehr als die bisherige Grenze von einer Sekunde differieren dürfen. 

Diese Änderung markiert einen signifikanten Wandel in der Zeitmessung, da seit der Einführung der Schaltsekunde im Jahr 1972, zuletzt angewandt Ende 2016, Abweichungen zwischen beiden Zeitskalen um mehr als 0,9 Sekunden stets durch die Anpassung der UTC korrigiert wurden.

Die Debatte über Schaltsekunden

In bestimmten Bereichen, wie der Finanzbranche und der Satellitennavigation, könnten durch die Anpassung von Schaltsekunden technische Schwierigkeiten entstehen. 

Aus diesem Grund plädieren zahlreiche Tech-Firmen für eine Abschaffung dieser Praxis. Sie argumentieren, dass die Stabilität und Präzision ihrer Systeme durch die Eliminierung von Schaltsekunden verbessert werden könnte. 

Auf der anderen Seite stehen Unternehmen, die auf die traditionelle Einbindung von Schaltsekunden in ihre Systemarchitekturen setzen und daher deren Fortbestand unterstützen, um die Synchronisation mit der astronomischen Zeit zu gewährleisten.

Eine Vision für die Zukunft

Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) empfiehlt, für die Dauer eines Jahrhunderts auf die Einfügung von Schaltsekunden zu verzichten, was zu einer Abweichung von ungefähr einer Minute zwischen der Koordinierten Weltzeit (UTC) und der Universalzeit (UT1) führen würde. Diese vorgeschlagene Pause soll eine stabilere Zeitmessung ermöglichen und die Kompatibilität mit modernen technologischen Systemen verbessern. 

Um diesen Vorschlag weiter zu verfeinern, ist nun ein Dialog mit verschiedenen internationalen Organisationen geplant. Das Ziel ist, bis zum Jahr 2026 eine endgültige Entscheidung über eine angepasste Obergrenze für Zeitabweichungen zu treffen, die sowohl technischen Fortschritt als auch traditionelle Zeitmessung berücksichtigt.

Erweiterung des Internationalen Einheitensystems

Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM), verantwortlich für die Pflege des Internationale Einheitensystem (SI), führte kürzlich angesichts des exponentiellen Wachstums digitaler Datenmengen vier neue Präfixe ein.

Diese Neuerungen umfassen Ronna für (10 hoch 27) und Quetta für (10 hoch 30) für außerordentlich große Zahlen, sowie Ronto für (10 hoch minus 27) und Quecto für (10 hoch minus 30), die extrem kleine Werte repräsentieren. Diese Ergänzungen erweitern das Spektrum verfügbarer Maßeinheiten, um den Anforderungen moderner Wissenschaft und Technologie gerecht zu werden.

Fazit

Die Evolution der weltweiten Zeitmessung, von der GMT über Atomuhren bis hin zu optischen Uhren, ist ein Beleg für den unermüdlichen Streben der Menschheit nach Präzision.

Mit der Entscheidung, Schaltsekunden abzuschaffen, und der Einführung neuer numerischer Präfixe passt sich der internationale Standard für Zeit und Messung den Anforderungen einer zunehmend datengesteuerten Welt an.