Wie der Mensch die Zeitmessung perfektioniert hat

Die erste Erfindung des Menschen, die der Zeitmessung diente, ist der Gnomon oder auch Schattenzeiger. Dieses in der Antike erstmals erwähnte Gerät besteht aus einem einfachen, in den Boden gerammten Stock. Im Verlauf des Tages verändert sich die Länge und Orientierung des Schattens abhängig vom Stand der Sonne. Anhand des sich verändernden Schattens können die Stunden des Tages unterschieden werden.

Die Sonnenuhr ist ein direkter Nachkomme des Gnomons. Eine Sonnenuhr hat zwei wesentliche Bestandteile: eine Scheibe, auf der mit Linien die Stunden angezeigt werden; und einen Stab, der in einem leichten Winkel im Zentrum der Scheibe steckt. Sein Funktionsprinzip basiert wie beim Gnomon auf der sich verändernden Sonnenposition und dem Schatten des Stabs. Der grösste Unterschied zwischen den beiden Instrumenten ist die Einteilung der Scheibe in Stunden, die eine genauere Zeitbestimmung ermöglicht. Allerdings können sowohl Sonnenuhr als auch Gnomon nur tagsüber benutzt werden und auch dann nur, wenn die Sonne scheint.

Die älteste Wasseruhr wird mit den alten Ägyptern in Verbindung gebracht und wäre damit etwa 3'400 Jahre alt. Die ersten Wasseruhren bestanden aus zwei Behältern: Der erste ist trichterförmig, hat ein Loch in seiner Seitenwand und steht leicht erhöht; der zweite wird darunter platziert und fängt das gleichmässig aus dem ersten Behälter fliessende Wasser auf. Eine Skalierung im Innern des ersten Behälters ermöglicht die Messung von Zeitintervallen abhängig vom Wasserstand. Ein Nachteil dieses Systems ist, dass es von der Temperatur abhängt: Die Temperatur beeinflusst die Geschwindigkeit des Wasserflusses.

Die Sanduhr ist ein Instrument, das auch du kennen dürftest. Sanduhren bestehen aus zwei Glaskugeln, die durch ein dünnes Glasrohr miteinander verbunden sind. Aufgrund der Schwerkraft fliesst der Sand von einer Kugel in die andere, was eine sehr exakte Messung von Zeitintervallen möglich macht. Die Sanduhr kann immer wieder umgedreht werden und das Zeitintervall kann von neuem gemessen werden. Im Gegensatz zur Wasseruhr ist der Sandfluss zwischen den beiden Kugeln regelmässig und wird kaum von der Temperatur beeinflusst.

Das erste Instrument, das sich periodisch ablaufende Mechanismen zur Zeitmessung zunutze machte, wurde etwa um 1300 erfunden und wird als Räderuhr bezeichnet. Angetrieben werden Räderuhren von einem an einer Schnur hängenden Gewicht. Ein Gangregler gibt in regelmässigen Abständen etwas Schnur frei und das Gewicht wird von der Schwerkraft in Richtung Erdboden gezogen. Die Bewegung des Gewichts führt zur einer messbaren Drehung der Uhrzeiger, wodurch die Zeit vom Zifferblatt abgelesen werden kann. Die ersten Räderuhren waren jedoch nicht sehr präzise Instrumente und gingen pro Tag auch einmal eine Stunde zu langsam oder zu schnell, sodass sie mit einer Sonnenuhr neu gestellt werden mussten.

Um 1675 erfand Christiaan Huygens, ein Physiker, Mathematiker und Astronom aus Holland, die erste Uhr mit Federantrieb. Der Antrieb ist hier nicht ein Gewicht, sondern eine gespannte Feder, was die Verkleinerung des Antriebmechanismus ermöglichte und für die Entwicklung der mechanischen Uhren wichtig ist. Mechanische Uhren müssen von Zeit zu Zeit neu aufgezogen werden, das heisst ihre Feder muss neu gespannt werden.

Die zu Beginn des 20. Jahrhunderts erfundenen Quarzuhren müssen nicht wieder neu aufgezogen werden. Anstelle einer Feder beherbergen sie eine Batterie, die einen elektrischen Strom an einen Quarzkristall abgibt und diesen in eine regelmässige Schwingung versetzt. Auch dieser verbesserte Mechanismus setzt dann Zahnräder in Bewegung.

Die Entdeckungen im Bereich der Atomphysik haben zur Entwicklung von Atomuhren geführt. Ihre Funktion hängt von den physikalischen Eigenschaften des Elements Cäsium ab und ist extrem genau: In 100 Millionen Jahren weichen sie weniger als eine Sekunde von der tatsächlichen Zeit ab!

Die Wichtigkeit der Genauigkeit

Die Genauigkeit in der Zeitmessung ist heute wichtiger denn je. Die Datenmenge, die täglich durch die Telekommunikationsnetze (Telefonie, Internet) übermittelt wird, muss auf sehr genaue Weise synchronisiert werden. Systeme zur Ortsbestimmung mittels Satelliten sind darauf angewiesen, dass die Zeit auf das Milliardstel einer Sekunde genau bestimmt wird; eine Genauigkeit, die einzig von Atomuhren erreicht wird.