»Wenn mich niemand fragt, weiß ich, was Zeit ist. Doch wenn ich es erklären soll, weiß ich es nicht mehr«, soll der Kirchenvater Augustinus gesagt haben. Und von Albert Einstein stammt angeblich das Zitat: »Zeit ist das, was man an der Uhr abliest.« Generationen von Forschenden haben versucht, das Rätsel der Zeit zu knacken. Was also ist Zeit – und warum kann sie nicht rückwärts laufen?

Jahrhundertelang hatten Astronomen die »Hoheit über die Zeit«, indem sie sich am Lauf der Gestirne orientierten. Die genaueste Methode, den Gang der Sonne während des Tages zu verfolgen und damit Zeit zu messen, war die Sonnenuhr. Die später entwickelten mechanischen Uhren wie die Pendeluhr hatten nicht nur den Vorteil, dass sie unabhängig von Tag und Nacht waren, sie konnten die Zeit auch deutlich feiner unterteilen – mit der gleichmäßigen Frequenz des Pendels und dem Zählwerk, das die Anzahl der Schwingungen zählt.

Wie lange dauert eine Sekunde?

Lange galt folgende Definition: Die Sekunde ist der 86 400ste Teil der Dauer eines mittleren Tages. Ein Tag ist die Zeitspanne, während der sich die Erde genau einmal um sich selbst dreht. Seit 1967 jedoch wird die Sekunde durch die Schwingungen in der Hülle von Cäsiumatomen definiert. Die Atomsekunde gibt es dabei bereits seit 1955, als die erste Cäsium-Atomuhr in Betrieb ging.

Ekkehard Peik ist Physiker und leitet den Fachbereich »Zeit und Frequenz« an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig – jener Institution, die in Deutschland die offizielle Zeit vorgibt. Das Magazin »Nature« hat ihn unter die zehn prägendsten Forscherinnen und Forscher des Jahres 2024 gewählt und ihn »Father of Time« getauft. Denn Ekkehard Peik forscht an der nächsten Revolution nach der Atomuhr: der Atomkernuhr.

Wie die Zeiteinheit im Alltag und der Forschung hilft

Die Einheit der Zeit ist neben den Einheiten für Länge und Gewicht die wohl wichtigste Einheit und für unseren modernen Alltag unmittelbar notwendig. Für das satellitengestützte Navigationssystem GPS braucht es beispielsweise Atomuhren. Mit Atomuhren kann die Netzfrequenz von 50 Hz im europäischen Stromnetz kontrolliert werden, die auch Taktgeber für viele elektrische Uhren ist. Und auch für die moderne Geodäsie – die Vermessung der Erde – ist diese Präzision zentral. Nur durch hochgenaue Zeitstempel können Forscherinnen und Forscher heute das Auseinanderdriften der Kontinentalplatten pro Jahr im Zentimeterbereich beobachten oder die Höhe des Meeresspiegels weltweit vergleichen. Auch die Klimaforschung profitiert: Die Atomuhren auf den Satelliten ermöglichen es, das Schmelzen von Gletschern oder Veränderungen im Permafrost mit einer Genauigkeit zu erfassen, die früher undenkbar gewesen wäre.

In dieser Folge von »Die großen Fragen der Wissenschaft« sprechen Katharina Menne und Carsten Könneker von Spektrum der Wissenschaft mit Ekkehard Peik darüber, wie aus Radartechnik die erste Atomuhr wurde, warum der Uhrzeigersinn ein Erbe der Nordhalbkugel ist und wie die Quantenphysik dabei hilft, das unsichtbare Gerüst unserer Welt zu verstehen.