Wir beschäftigen uns täglich mit der Zeit. Im normalen Leben reicht es aus, die Zeit auf die Minute genau zu messen. Bei Wettbewerben, wie etwa Kurzstreckenläufen, ist eine Genauigkeit von bis zu 0,01 Sekunden erforderlich, und bei Hochgeschwindigkeitsrennen wie der Formel 1 muss die Genauigkeit bis auf 0,001 Sekunden (1 Millisekunde) erhöht werden. In einigen wissenschaftlichen Bereichen jedoch sind viel höhere Anforderungen an die Zeitgenauigkeit erforderlich, oft bis auf ein Hundertstel einer Sekunde oder sogar einen Millionstel einer Sekunde. Welche Zeitmessinstrumente können diese Anforderungen erfüllen?
Derzeit sind Cäsium-Atomuhren die präzisesten Zeitmessgeräte. Wissenschaftler haben Cäsium-Atomuhren entwickelt, die 6 Millionen Jahre lang ununterbrochen laufen und eine Gesamtgenauigkeit von weniger als einer Sekunde aufweisen. Warum kann Cäsium zu einem so präzisen Zeitmessgerät werden? Wir wissen, dass ein Tag auf der Erde 24 Stunden dauert, und jede Stunde wird in 3600 Teile unterteilt, was einer Sekunde entspricht. Daher beträgt die Zeit, die für einen Tag auf der Erde benötigt wird, pro 86400 Teil eine Sekunde. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Erdrotation nicht stabil und manchmal schneller und manchmal langsamer, sodass die so definierte Sekunde nicht den hohen Anforderungen einiger wissenschaftlicher Experimente entspricht. Cäsium wurde als Material für Atomuhren ausgewählt, weil es das aktivste Mitglied der Metallfamilie ist, d. h. seine äußeren Elektronen haben eine niedrigere Übergangsenergie. Die von ihm emittierten elektromagnetischen Wellensignale liegen im Mikrowellenbereich des Radios und ähneln zufällig der Frequenz von Rundfunksatelliten, und die derzeitige Technologie zur Herstellung von Instrumenten in diesem Frequenzbereich ist sehr ausgereift. Daher nutzen Wissenschaftler die von Cäsiumatomen emittierten elektromagnetischen Wellen, wenn Elektronen zwischen zwei Energieniveaus springen, als Standard, um elektronische Oszillatoren zu steuern und damit die Uhr zu regeln. Auf diese Weise haben die Menschen ein neuartiges Uhrwerk, die Cäsium-Atomuhr, hergestellt und festgelegt, dass eine Sekunde die Zeit ist, die benötigt wird, um 9192631770 Mal von einem Energieniveau zum anderen zu springen. Dies ist bisher die genaueste Definition einer Sekunde.
Neben der Cäsium-Atomuhr haben Menschen auch Wasserstoff-Atomuhren, Rubidium-Atomuhren usw. erfunden. Mit Atomuhren ist es möglich, präzisere wissenschaftliche Forschungen in den Bereichen Atombomben- und Wasserstoffbombenexplosionen, Raketen- und Flugkörperstart sowie Weltraumfahrt und künstliche Erdsatelliten durchzuführen und eine höhere Genauigkeit bei der Steuerung und dem Betrieb zu erreichen.