Heutige Definition

Seit 1967 ist eine Sekunde das 9.192.631.770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids ¹³³Cs entspricht. Mit der Revision des SI im Jahr 2019 durch die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht wurde der genaue Wortlaut der Definition geändert, inhaltlich blieb die Definition der Sekunde jedoch bestehen.

${\displaystyle \Delta \nu _{\mathrm {Cs} }=9\,192\,631\,770\;\mathrm {Hz} }$

daraus folgt

${\displaystyle 1\;\mathrm {s} ={\frac {9\,192\,631\,770}{\Delta \nu _{\mathrm {Cs} }}}}$

Definitionsgemäß ist die Sekunde also das Vielfache der Periode einer Mikrowelle, die mit einem ausgewählten Niveauübergang im Caesium­atom in Resonanz ist. Daher wird sie als Atomsekunde bezeichnet. Atomuhren basieren auf der Messung dieses Übergangs. Ihre Präzision wurde seit der oben angegebenen Definition um mehr als vier Zehnerpotenzen auf 10⁻¹⁶ gesteigert.

Frühere Definitionen

Solange man von einer gleichmäßigen Erdrotation ausging, war die Sekunde der sechzigste Teil einer Minute des in 24 Stunden zu 60 Minuten eingeteilten Tages.

Um 1885 stellte Karl Friedrich Küstner (Bonner Sternwarte) fest, dass die Rotationsachse der Erde eine Polbewegung von 5 bis 10 Meter durchführt. Genauer wurde dies von Richard Schumann (TU Wien) und Seth Carlo Chandler (Harvard) analysiert und war der erste Hinweis darauf, dass sich auch die Rotationsdauer selbst verändert. Man konnte es aber mit den damals besten Uhren (Abweichung 0,05 Sekunden pro Tag) noch nicht nachweisen.

Dies gelang erst Adolf Scheibe und Udo Adelsberger 1934 an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt. Nach Ausräumung eigener Bedenken publizierten sie die Ergebnisse 1935 und präzisierten sie durch die von ihnen entwickelte Quarzuhr. Ab etwa 1950 wurde klar, dass die laufend verbesserten Quarzuhren ein besseres Zeitnormal wären als die Erdrotation. Die astronomische Tageslänge vergrößert sich nicht nur allmählich wegen der Gezeitenreibung, sondern zeigt auch unregelmäßige Änderungen durch Magma­ströme zwischen Erdmantel und Erdkern. Durch die Verlangsamung der Erdrotation verschiebt sich der Sonnentag gegenüber einem völlig gleichmäßigen Zeitmaß. Zur Kompensation muss alle zwei bis fünf Jahre eine Schaltsekunde eingefügt werden, um alle Uhren mit dem um einige Sekundenbruchteile länger werdenden Sonnentag zu synchronisieren.

Bis 1967 beruhte die Sekunde auf astronomischen Messungen:

• Sonnensekunde (bis in die 1950er Jahre): Der Bruchteil ¹⁄_86 400 des mittleren Sonnentages. Diese Festlegung wurde eingeführt, damit ein durchschnittlicher Sonnentag 24 · 60 · 60 Sekunden lang ist. Das entspricht der Zeit, nach der eine fiktive mittlere Sonne wieder an gleicher Stelle steht. (Der Sonnentag ist ca. 4 Minuten länger als die Rotationsdauer der Erde, weil sich die Erde während des Tages um die Sonne bewegt und es daher etwas länger dauert, bis ein Punkt auf der Erde wieder zur Sonne gerichtet ist.)
• Ephemeridensekunde: Der Bruchteil ¹⁄_{31 556 925,9747} des tropischen Jahres am 0. Januar 1900 (= 31. Dezember 1899) um 12 Uhr UT. Er bezieht sich auf das damalige Verhältnis zwischen Jahresdauer und Erdrotation. Die Ephimeridensekunde wurde 1956 vom Internationalen Komitee für Maß und Gewicht (CIPM) als Sekunde definiert.

Zukünftige Entwicklungen

Die Präzision, mit der die Sekunde realisiert werden kann (Stand 2018: ca. 10⁻¹⁶), begrenzt die erreichbare Genauigkeit von Zeitmessungen in der Einheit „Sekunde“. Mittlerweile sind Uhren entwickelt worden, die nicht auf Caesium-Atomen basieren und um bis zu zwei Größenordnungen präziser sind. Mit solchen Uhren als primärer Referenz ließen sich noch genauere Zeitmessungen erreichen. Voraussetzung dafür wäre eine Umdefinition der Maßeinheit. Dies könnte 2030 geschehen.