Die Sekunde gehört zu den am genauesten definierten Größen der Welt. Trotzdem arbeiten Metrologie-Institute seit Jahren daran, ihre Grundlage zu verändern. Der heutige SI-Standard beruht auf einem Mikrowellenübergang im Cäsium-133-Atom. Optische Atomuhren schwingen bei deutlich höheren Frequenzen und können dadurch noch feinere Zeitvergleiche ermöglichen.
Ein europäischer Vergleich zeigt nun, dass solche Uhren nicht mehr nur als einzelne Rekordgeräte in abgeschirmten Laboren funktionieren. Sieben optische Uhren in vier Ländern wurden über ein Glasfasernetz miteinander verbunden. Die gemessenen Frequenzverhältnisse stimmten mit Unsicherheiten überein, die bis in den Bereich von 10 hoch minus 18 reichen.
Science Official hat den Vergleich eingeordnet als einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer möglichen optischen Neudefinition der Sekunde. Entscheidend ist dabei nicht nur, welche Uhr im eigenen Labor am genauesten läuft. Eine internationale Einheit muss in unterschiedlichen Instituten reproduzierbar sein und über große Entfernungen verglichen werden können.
Gerade Europa bietet dafür ein dichtes Netz aus Metrologie-Instituten und stabilen Glasfaserverbindungen. Über diese Leitungen lassen sich optische Frequenzen mit sehr kleinen Verlusten übertragen. So können Forscher Uhren vergleichen, ohne sie physisch an denselben Ort zu bringen. Das ist wichtig, weil die Geräte groß, empfindlich und fest in komplexe Lasersysteme eingebaut sind.
Bei einer Genauigkeit von 10 hoch minus 18 wird sogar die Höhe über dem Meeresspiegel relevant. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie läuft eine Uhr in einem anderen Gravitationspotential minimal anders. Metrologen müssen deshalb die geodätische Lage der Uhren sehr genau kennen. Die Empfindlichkeit ist zugleich ein Vorteil: Optische Uhren können langfristig auch als Sensoren für Unterschiede im Gravitationsfeld dienen.
Für den Alltag würde eine Neudefinition zunächst kaum sichtbar sein. Smartphones, Computer und Funkuhren würden weiterhin Sekunden zählen wie bisher. Die Änderung beträfe die Referenz im Hintergrund, auf deren Basis Zeitstandards, Navigation, Telekommunikation und wissenschaftliche Messungen kalibriert werden.
Bevor es so weit ist, müssen internationale Gremien entscheiden, welche optischen Übergänge den neuen Standard tragen sollen und wie verschiedene Uhren weltweit miteinander verglichen werden. Der europäische Test zeigt, dass die dafür nötige Infrastruktur nicht mehr nur Theorie ist. Hochpräzise optische Uhren lassen sich über Ländergrenzen hinweg zu einem gemeinsamen Messsystem verbinden — und genau diese Reproduzierbarkeit braucht eine neue Definition der Sekunde.