Wer bestimmt die Weltzeit?

Die Weltzeituhr auf dem Alexanderplatz in Berlin. Fotografie von Diego Delso, delso.photo, Lizenz CC BY-SA 4.0 (beschnitten).

Wir stellen die Uhr nach dem Handy, das Handy stellt sich nach dem Netz, und das Netz stellt sich nach … wem eigentlich? Niemand „bestimmt“ die Zeit allein. Es gibt ein internationales System aus Laboratorien, Satelliten und Verträgen — und es lohnt sich, es von innen zu kennen, vor allem für alle, die vom Messen der Zeit leben.

Von der Sonne zum Atom

Jahrtausendelang war die Uhrzeit eine lokale Angelegenheit: Mittag war, wenn die Sonne durch den Meridian des jeweiligen Ortes ging, und zwischen Lissabon und Porto lagen etwa zwei Minuten Unterschied. Eisenbahn und Telegraf machten das unhaltbar. 1884 versammelte die Internationale Meridiankonferenz in Washington 25 Länder und wählte Greenwich als Nullmeridian; die mittlere Greenwich-Zeit (GMT) wurde zur Referenz der Welt.

Diese Referenz blieb die Erdrotation, gemessen von den Astronomen. Die Uhren waren nur Hüterinnen der Zeit zwischen zwei Beobachtungen: das Pendel von Huygens (1656), dann der Quarz (1927), so gleichmäßig, dass er die Unregelmäßigkeiten des Planeten selbst sichtbar zu machen begann. 1955 nahmen Louis Essen und Jack Parry im britischen Laboratorium NPL die erste zuverlässige Cäsiumuhr in Betrieb. Von da an lag das Normal nicht mehr am Himmel.

Christiaan Huygens (1629–1695), Erfinder der Pendeluhr und der Spiralfeder der Unruh. Porträt von Caspar Netscher, 1671. Bild: Wikimedia Commons (gemeinfrei).

Die Sekunde: 9 192 631 770 Schwingungen

Bis 1960 war die Sekunde der 86 400. Teil des mittleren Sonnentages. In jenem Jahr wurde sie zu einem Bruchteil des Jahres 1900 — die „Ephemeridensekunde“, stabiler, aber im Alltag unmöglich zu messen. 1967 verabschiedete die Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) die atomare Definition: Die Sekunde ist die Dauer von 9 192 631 770 Perioden der Strahlung des Hyperfeinstrukturübergangs von Cäsium-133. Bei der Revision des Internationalen Einheitensystems von 2019 änderte sich die Formulierung — festgelegt wird der Wert der Frequenz —, doch die Zahl ist dieselbe.

Diese Zahl ist nicht willkürlich: Sie wurde zwischen 1955 und 1958 gemessen, damit die Atomsekunde mit der Ephemeridensekunde übereinstimmt, die ihrerseits die Tageslänge um 1820 widerspiegelte. Seither ist die Erde langsamer geworden, und der wirkliche Tag ist heute ein bis zwei Millisekunden länger als 86 400 Atomsekunden. Aus diesem kleinen Unterschied entsteht das Problem der Schaltsekunden.

Die besten heutigen Cäsiumuhren sind „Fontänen“: Eine Handvoll Atome, per Laser fast bis zum absoluten Nullpunkt gekühlt, wird einen Meter nach oben geworfen und durchquert zweimal einen Mikrowellenresonator, beim Aufstieg und beim Fall. Die Frequenz der Mikrowellen wird so lange angepasst, bis die größte Zahl von Atomen ihren Zustand wechselt; diese Frequenz ist die Sekunde. Eine Cäsium-Fontäne weicht in mehr als hundert Millionen Jahren nicht um eine Sekunde ab.

Die NIST-F2, Cäsium-Fontäne des NIST (USA), eines der Primärnormale, die die Weltzeit kalibrieren. Bild: NIST / Wikimedia Commons (gemeinfrei).

TAI: eine Uhr aus Papier

Eine gut definierte Sekunde genügt nicht: Man muss sie ununterbrochen zählen, und zwar so, dass alle es anerkennen. Diese Aufgabe fällt dem BIPM zu — Bureau International des Poids et Mesures —, gegründet durch die Meterkonvention von 1875 und ansässig in Sèvres, am Stadtrand von Paris.

Der Pavillon de Breteuil in Sèvres, Sitz des Bureau International des Poids et Mesures. Bild: Wikimedia Commons.

Das BIPM hat keine Hauptuhr. Es hat die Daten von etwa 450 Atomuhren, die in etwa 80 Laboratorien auf der ganzen Welt betrieben werden.

Die Laboratorien vergleichen ihre Uhren untereinander über die Navigationssatelliten und über Zweiwegverbindungen via Telekommunikationssatelliten und senden die Ergebnisse nach Sèvres. Das BIPM berechnet einen gewichteten Mittelwert — jede Uhr zählt entsprechend ihrer Stabilität, mit einer Obergrenze, damit keine dominiert — und korrigiert den Gang dieses Mittelwerts mit den Messungen der Primärnormale, der Cäsium-Fontänen. Das Ergebnis ist die Internationale Atomzeit (TAI), ohne Unterbrechung gezählt seit dem 1. Januar 1958.

Die TAI ist deshalb eine „Papieruhr“: Kein Zifferblatt zeigt sie an, und sie ist erst bekannt, wenn die Rechnung gemacht ist. In Echtzeit hält jedes Laboratorium seine eigene Annäherung vor, UTC(k) genannt — UTC(PTB) in Deutschland, UTC(NIST) in den Vereinigten Staaten, UTC(IPQ) in Portugal. Jeden Monat veröffentlicht das Circular T des BIPM, wie weit sich jede von der Referenz entfernt hat, in Abständen von fünf Tagen; eine schnelle Lösung, die UTCr, erscheint jede Woche. Die besten Laboratorien halten sich auf wenige Nanosekunden genau.

Dazu ist noch Einstein zu berücksichtigen. Die Zeit vergeht schneller, wo die Schwerkraft schwächer ist: Pro Meter Höhe geht eine Uhr um etwa ein Teil in 10¹⁶ vor. Eine Uhr in Boulder, Colorado, auf 1600 Metern, läuft messbar schneller als eine gleiche am Meer, und alle Beiträge zur TAI werden auf den mittleren Meeresspiegel korrigiert.

UTC: die bürgerliche Zeit

Die TAI ignoriert die Erde. Die Zeit, die wir verwenden, die UTC — Koordinierte Weltzeit —, ist die TAI, in ganzen Sekunden angepasst, um der Rotation des Planeten zu folgen. In ihrer heutigen Form gibt es sie seit dem 1. Januar 1972, als sie mit 10 Sekunden Unterschied startete; heute sind es 37. Die Abkürzung ist ein Kompromiss zwischen dem Englischen (CUT) und dem Französischen (TUC). Die GMT lebt als Name einer Zeitzone weiter; ihr wissenschaftlicher Erbe ist die UT1, die Zeit, die sich aus der tatsächlichen Orientierung der Erde ergibt.

Jeder Staat wählt anschließend seine Abweichung von der UTC. Die Zeitzonen reichen von UTC−12 bis UTC+14, und China, das fünf durchqueren würde, verwendet nur eine. Insgesamt sind fast vier Dutzend Ortszeiten in Kraft, denn nicht alle unterscheiden sich um volle Stunden von der UTC.

Indien und Sri Lanka verwenden UTC+5:30; der Iran UTC+3:30; Afghanistan UTC+4:30; Myanmar UTC+6:30; Zentralaustralien UTC+9:30; Neufundland in Kanada UTC−3:30. Und es gibt Abweichungen von 45 Minuten: Nepal (UTC+5:45) und die Chathaminseln Neuseelands (UTC+12:45).

Die Gründe sind von dreierlei Art. Geografische: Wenn die Mitte eines Landes auf halbem Weg zwischen zwei Zeitzonen liegt, bringt die halbe Stunde die Uhr näher an die Sonne. Indien wählte, statt sich in zwei Zeitzonen zu teilen, den Meridian von 82,5° Ost; der Iran folgt dem Meridian nahe Teheran. Historische: Neufundland richtete sich bereits nach der Sonnenzeit seiner Hauptstadt, als es ein von Kanada getrenntes Dominion war, und behielt sie bei. Politische: Nepal legte seine Zeit nach dem Meridian eines Berges östlich von Kathmandu fest, was es 15 Minuten von Indien trennt; Venezuela stellte 2007 die Uhren um eine halbe Stunde zurück und machte die Maßnahme 2016 rückgängig; Nordkorea schuf 2015 die „Pjöngjang-Zeit“, eine halbe Stunde hinter Seoul, und gab sie 2018 wieder auf.

Die Zeitzonen der Welt, alle in Bezug auf die UTC definiert. Bild: CIA World Factbook / Wikimedia Commons (gemeinfrei).

Nicht alle Systeme folgen der UTC. Die Zeit der GPS-Satelliten wurde 1980 gestellt und hat nie Schaltsekunden erhalten: Sie geht heute 18 Sekunden vor, und es ist der Empfänger, der die Umrechnung vornimmt.

Die Erde, eine unvollkommene Uhr

Langfristig wird die Erde langsamer: Die vom Mond verursachte Gezeitenreibung verlängert den Tag um etwa zwei Millisekunden pro Jahrhundert. Kurzfristig ist sie unberechenbar. Der flüssige Kern, die Winde, die Meeresströmungen und das Abschmelzen des Eises verteilen Masse um und verändern die Rotationsgeschwindigkeit; das Erdbeben in Japan von 2011 verkürzte den Tag um 1,8 Mikrosekunden.

Ohne Korrektur würde in einigen tausend Jahren der Mittag der Uhren nicht mehr mit dem höchsten Sonnenstand zusammenfallen.

Die Erde, die ursprüngliche — und unvollkommene — Uhr. „The Blue Marble“, 1972 von der Besatzung von Apollo 17 fotografiert. Bild: NASA / Wikimedia Commons (gemeinfrei).

Über die Rotation wacht der IERS — International Earth Rotation and Reference Systems Service —, tätig seit 1988. Er misst die Orientierung des Planeten mit Radioteleskopen, die auf ferne Quasare gerichtet sind, mit Laserstrahlen auf Satelliten und auf den Mond und mit den Satellitennavigationsnetzen. Die geltende Regel verpflichtet die UTC, weniger als 0,9 Sekunden von der UT1 entfernt zu bleiben. Nähert sich die Grenze, kündigt der IERS sechs Monate im Voraus eine Schaltsekunde an: Die letzte Minute des 30. Juni oder des 31. Dezember hat dann 61 Sekunden. Das ist 27 Mal geschehen, zuletzt am 31. Dezember 2016, und es ist bereits bestätigt, dass es Ende 2026 keine geben wird.

23:59:60 — der seltene Augenblick einer Schaltsekunde. Bild: Wikimedia Commons.

Das Ende der Schaltsekunde

Eine Minute mit 61 Sekunden, mit einem halben Jahr Vorlauf angekündigt und langfristig nicht vorhersehbar, ist ein Albtraum für Software. 2012 legte sie Websites und das Check-in-System einer Fluggesellschaft lahm; 2017 traf sie eines der größten Verteilnetze des Internets. Die großen Technologieunternehmen gingen dazu über, die zusätzliche Sekunde über mehrere Stunden zu „verschmieren“, jedes auf seine Weise — was bedeutet, dass an diesen Tagen mehrere leicht unterschiedliche Zeiten im Umlauf sind.

Inzwischen hat die Erde allen einen Strich durch die Rechnung gemacht: Seit 2020 dreht sie sich schneller, mit einem Rekord im Juli 2024, als ein Tag 1,66 Millisekunden kürzer war als 86 400 Sekunden. Hält der Trend an, wird eine negative Schaltsekunde nötig — eine Minute mit 59 Sekunden —, etwas, das noch nie gemacht oder getestet wurde. Das BIPM schätzt die Wahrscheinlichkeit, dass dies bis 2035 geschieht, auf etwa 30 %.

2022 beschloss die CGPM, die Toleranz zwischen UT1 und UTC bis 2035 zu erweitern. Der Zeitplan wurde nun vorgezogen: Die 28. CGPM, angesetzt für den 13. bis 15. Oktober 2026 in Versailles, stimmt über einen Vorschlag ab, der die maximale Differenz auf 3600 Sekunden — eine Stunde — festlegt und eine kontinuierliche UTC ab dem 20. Mai 2027 vorsieht. Wird er angenommen, gibt es mehrere Jahrhunderte lang keine Schaltsekunden mehr, und die bürgerliche Zeit wird zum ersten Mal nicht mehr an die Bewegung des Planeten gebunden sein.

Die nächste Sekunde — und die Zeit des Mondes

Für das Cäsium ist ein Nachfolger in Sicht. Optische Uhren verwenden Strontium- oder Ytterbiumatome, die mit der Frequenz des sichtbaren Lichts schwingen — Hunderte von Terahertz, Zehntausende Male über dem Cäsium — und die Zeit in viel feinere Scheiben teilen. Die besten erreichen Unsicherheiten von einem Teil in 10¹⁸: Sie würden im gesamten Alter des Universums keine Sekunde verlieren und reagieren auf einen Höhenunterschied von einem Zentimeter. Dieselbe Konferenz im Oktober berät über den Fahrplan zur Neudefinition der Sekunde, mit einem förmlichen Vorschlag, der für 2030 vorgesehen ist.

Auf der Tagesordnung steht auch eine Referenzzeitskala für den Mond. Bei schwächerer Schwerkraft geht eine Uhr auf der Mondoberfläche gegenüber einer auf der Erde um etwa 56 Mikrosekunden pro Tag vor — belanglos für einen Astronauten, entscheidend für ein Navigationssystem.

Wie die Zeit ans Handgelenk kommt

• Satelliten. Jeder GPS- oder Galileo-Satellit führt Atomuhren an Bord mit und strahlt seine Zeit aus. Ein Fehler von einer Nanosekunde entspricht 30 Zentimetern in der Position, weshalb ein gewöhnlicher Empfänger auf weniger als eine Mikrosekunde genau synchronisiert ist.

• Langwellenfunk. Der deutsche Sender DCF77 (77,5 kHz, bei Frankfurt) stellt die europäischen Funkuhren in einem Umkreis von etwa 2000 km, an dessen Grenze sich Portugal befindet. Das Vereinigte Königreich, die Vereinigten Staaten und Japan haben vergleichbare Sender.

• Internet. Das Protokoll NTP von 1985 synchronisiert Computer und Handys kaskadenartig, ausgehend von Servern, die an Atomuhren angeschlossen sind, mit Fehlern in der Größenordnung von Millisekunden.

• Glasfaser. Laboratorien, Börsen und Telekommunikationsbetreiber nutzen dedizierte Verbindungen mit einer Genauigkeit unterhalb der Mikrosekunde.

Vieles hängt davon ab, ohne dass man es bemerkt: die Mobilfunknetze, das Stromnetz, die Navigation. In der Europäischen Union sind die Plattformen für den Hochfrequenzhandel verpflichtet, jeden Auftrag mit einer maximalen Abweichung von 100 Mikrosekunden gegenüber der UTC zu stempeln.

Und in Portugal?

Die gesetzliche Zeit ist eine Entscheidung jedes Staates, doch diese Entscheidung beschränkt sich darauf, die Abweichung von der UTC und die Termine der Zeitumstellung zu wählen — letztere auf europäischer Ebene harmonisiert.

Portugal legt die weltweite Zeitreferenz nicht fest: Es definiert seine gesetzliche Zeit auf der Grundlage der international festgelegten UTC.

Das war nicht immer so. Bis Ende 1911 richtete sich die gesetzliche Zeit nach dem Meridian des Observatório Astronómico de Lisboa, 36 Minuten und 44 Sekunden hinter Greenwich; am 1. Januar 1912 wurden die Uhren des Landes um diesen Betrag vorgestellt. Die Sommerzeit kam 1916. Zweimal, zwischen 1966 und 1976 und zwischen 1992 und 1996, schloss sich Portugal der mitteleuropäischen Zeit an, und zweimal machte es den Schritt rückgängig, nach Wintern, in denen die Sonne nach neun Uhr aufging. Seit 1996 verwenden das Festland und Madeira im Winter UTC und im Sommer UTC+1; die Azoren eine Stunde weniger. Die Umstellung erfolgt am letzten Sonntag im März und am letzten im Oktober, und der europäische Vorschlag von 2018, ihr ein Ende zu setzen, liegt weiterhin auf Eis.

Ein Land ohne Hüter der Zeit

Was jedes Land tut, ist, die Zeit zu realisieren, sie zu bewahren und sie zu verteilen. In Portugal fiel diese Aufgabe seit 1878 dem Observatório Astronómico de Lisboa zu, das per Gesetz mit dem Dienst der gesetzlichen Zeit betraut war, mit einer bei ihm angesiedelten Comissão Permanente da Hora. Das Observatorium erhielt in den 1980er-Jahren seine erste Atomuhr und erneuerte die Ausrüstung 2001.

Versagt hat die Organisation, nicht die Technik. 2013 ging das Observatorium mit der Fusion der beiden Lissabonner Universitäten in die Zuständigkeit des Museu Nacional de História Natural e da Ciência über, das auf das Kulturerbe ausgerichtet ist; der Zeitdienst blieb ohne Herrn und wurde nach und nach von Personal der Faculdade de Ciências sichergestellt. 2022 wurde ein Gesetzesdekret angekündigt, um ihn an das Instituto Português da Qualidade (IPQ) zu übertragen, in einem Verfahren, an dem zwei Ministerien und das Gabinete Nacional de Segurança beteiligt waren. Es ist nicht bekannt, dass es veröffentlicht worden wäre.

Das Paradoxe ist, dass die Fähigkeit vorhanden ist. Das Laboratório de Tempo e Frequência des IPQ in Caparica realisiert die nationale Atomzeitskala, die UTC(IPQ), mit drei Cäsiumuhren, die zur TAI beitragen: Mit ihr erscheint Portugal in den Berechnungen des BIPM. Ihm fehlen der gesetzliche Auftrag, die „gesetzliche Zeit“ zu sein, und die Pflicht, sie zu verbreiten. Das Ergebnis ist, dass heute keine Stelle diese Aufgabe förmlich übertragen bekommen hat, und die Risiken sind konkret:

• Rechtssicherheit. Gerichtliche und behördliche Fristen, öffentliche Ausschreibungen, Auktionen und elektronische Verträge enden auf die Sekunde genau. Im Streitfall gibt es keine Uhr, die das Gesetz als die maßgebliche bezeichnet.

• Zeitstempel. Die europäischen Vorschriften verlangen, dass qualifizierte Zeitstempel auf eine vom BIPM anerkannte UTC(k) rückführbar sind, mit einem maximalen Fehler von einer Sekunde. In der Praxis verweist das auf das IPQ oder auf ausländische Laboratorien, nicht auf die „gesetzliche Zeit“.

• Dienst ohne Verantwortlichen. Wer seine Systeme weiterhin nach den Servern des Observatoriums stellt, hängt von einem Dienst ab, den niemand aufrechtzuerhalten verpflichtet ist. Im Juni 2023 zeigte die Online-Uhr des Observatoriums zeitweise eine Abweichung von acht Minuten, die korrigiert wurde, nachdem über den Fall berichtet worden war.

• Abhängigkeit vom Satelliten. Ohne benannte nationale Quelle stellen sich die Telekommunikations-, Energie- und Bankennetze nach Navigationssystemen, die das Land nicht kontrolliert und deren Signal gestört oder gefälscht werden kann.

Was das für einen Uhrmacher bedeutet

Zu sagen, dass eine Uhr vier Sekunden pro Tag vorgeht, heißt, sie mit etwas zu vergleichen. Die Zeitwaage auf der Werkbank vergleicht sie mit einem Quarzoszillator; dieser Quarz wurde gegen eine bessere Referenz kalibriert, und die Kette endet immer bei der UTC. Alle Uhren der Tabelle tun dasselbe — sie zählen Schwingungen —, und die Geschichte der Uhrmacherei ist zu einem guten Teil die Suche nach schnelleren und stabileren Oszillatoren.

Oszillator	Frequenz	Typische Abweichung
Pendel von Huygens (1656)	etwa 1 Hz	etwa 15 s pro Tag
Unruh eines zertifizierten Chronometers	4 Hz	−4 bis +6 s pro Tag
Quarz einer Armbanduhr	32 768 Hz	etwa 15 s pro Monat
Cäsium-Fontäne	9 192 631 770 Hz	1 s in mehr als 100 Millionen Jahren
Optische Strontiumuhr	etwa 429 THz	1 s in mehr als 15 Milliarden Jahren

Unruh und Spirale einer Benrus-Armbanduhr aus den 1950er-Jahren (Kaliber ETA 1280): dasselbe Prinzip wie bei einer Atomuhr — ein gleichmäßiger Oszillator — in einem ganz anderen Maßstab. Bild: Chetvorno / Wikimedia Commons (gemeinfrei).

Die Weltzeit wird am Ende von niemandem im Besonderen bestimmt. Sie wird von allen bestimmt, die sie messen — und die bereit sind, das Ergebnis zu teilen.

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