Die Zeit ist eine physikalische Größe für die zeitliche Einordnung von Ereignissen, Bewegungen, Wachstum und Veränderungen. Ihre SI-Basiseinheit ist die Sekunde (s). Für längere Zeiträume sind Minuten, Stunden, Tage, Wochen, Monate und Jahre gebräuchlich.
Astronomische Grundlagen
Historisch entstand die Zeitbestimmung aus astronomischen Beobachtungen. Die Drehung der Erde bildet die Grundlage für den Tag, während ihr Umlauf um die Sonne das Jahr bestimmt. Eine auf solchen Bewegungen beruhende Skala wird als astronomische Zeit bezeichnet.
Die Erdrotation verläuft jedoch nicht vollkommen gleichmäßig. Für technische Systeme, Wissenschaft und Kommunikation werden deshalb stabilere Referenzen benötigt.
Die Sekunde und die Atomzeit
Die moderne Sekunde wird mithilfe eines atomaren Übergangs des Cäsium-133-Atoms definiert. Dabei dient elektromagnetische Strahlung mit einer genau festgelegten Frequenz als Referenz. Ein Cäsium-Frequenznormal realisiert die Sekunde über 9.192.631.770 Perioden dieser Strahlung.
Nationale Metrologieinstitute, die sogenannten National Measurement Institutes (NMI), betreiben und vergleichen dafür hochpräzise Atomfrequenznormale. In Deutschland übernimmt diese Aufgabe die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB).
Das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) führt Messdaten zahlreicher Atomuhren zusammen. Daraus wird die Internationale Atomzeit (TAI) berechnet. Technische Referenzen wie das Cäsium-Normal ermöglichen dabei eine äußerst stabile Zeitmessung.
Atomzeit, Weltzeit und Schaltsekunden
TAI ist eine gleichmäßig fortlaufende atomare Zeitskala. Die im Alltag und in vielen technischen Anwendungen verwendete koordinierte Weltzeit UTC berücksichtigt dagegen zusätzlich die unregelmäßige Erdrotation. Eine Schaltsekunde kann den Abstand zwischen UTC und der astronomisch bestimmten Erdrotation begrenzen.
Schaltsekunden werden nicht automatisch in jedem Juni oder Dezember eingefügt. Ob eine Anpassung erforderlich ist, richtet sich nach Messungen der Erdrotation und wird international angekündigt.
Die Zeitreferenz des GPS
Das Global Positioning System (GPS) verwendet eine eigene, kontinuierlich laufende Zeitskala. Sie begann 1980 und wird seitdem nicht durch Schaltsekunden unterbrochen. Dadurch besteht ein fest definierter Zusammenhang zur Atomzeit, während sich der Abstand zu UTC bei neuen Schaltsekunden verändert.
Diese Kontinuität ist für Satellitennavigation und präzise Laufzeitmessungen wichtig. Empfangsgeräte erhalten Korrekturdaten, mit denen sie GPS-Zeit und UTC zueinander in Beziehung setzen können.
Internationale Abstimmung
Die weltweite Koordination von Zeitskalen betrifft Metrologie, Funkdienste, Telekommunikation und Navigation. Neben dem BIPM wirkt die Internationale Fernmeldeunion (ITU) an technischen Empfehlungen mit. Fachliche Aufgaben werden dafür in einer Arbeitsgruppe bearbeitet.