Ph 11 Geschichte

Von der Sonnenuhr zur Atomuhr

Welche Bedeutung hat die Tatsache, dass die Schwingungsdauer eines Pendels nicht von der Amplitude abhängt
(nach Sexl/Schmidt)

Eine allereinfachste Form von Uhren war bereits vor 6000 Jahren in Gebrauch. Man steckte einen Stab in den Boden und las die Zeit aus der Lage seines Schattens annähernd ab. Diese erste Form der Sonnenuhr wurde in der Folge wesentlich verbessert und ist in manchen Teilen der Welt auch heute noch von Bedeutung.

Auch die Wasseruhr hat eine lange Tradition. Ein feiner Wasserstrahl, der ein größeres Gefäß langsam und gleichmäßig auffüllt, erlaubt es auch längere Zeitspannen mit einiger Genauigkeit zu bestimmen. Derartige Wasseruhren waren vor allem im römischen Imperium in Gebrauch.

Nicht nur die Feststellung der Tageszeiten, auch die Einteilung des Jahresablaufes ist eine wichtige Aufgabe der Zeitmessung. Der Zusammenhang zwischen den Jahreszeiten, der Tageslänge und dem jeweiligen Höchststand der Sonne wurde schon sehr früh erkannt. Sowohl für die Zwecke des Ackerbaues, als auch aus kultisch-religiösen Gründen stellte sich bald die Aufgabe, die Jahreszeiten genauer einzuteilen. Die dazu notwendigen astronomischen Beobachtungen setzten in Babylon bereits im 4. vorchristlichen Jahrtausend ein. Zahlreiche Keilschrifttäfelchen überliefern Beobachtungen von Sonne, Mond und Planeten.

Während die astronomischen Beobachtungen bald eine hinreichend genaue Beschreibung des Jahresablaufes ermöglichten, war die Tageseinteilung durch Wasser-, Sand- und Sonnenuhren wenig zufriedenstellend. Erst mechanische Räderuhren, die ab dem 13. Jahrhundert die Kirchtürme zu schmücken begannen, genügten den Ansprüchen der wachsenden Städte des Mittelalters. Selbst die Zeitangabe dieser ersten mechanischen Uhren war zunächst noch sehr ungenau, und Fehler von einer Stunde pro Tag waren üblich.

Was ist eine Uhr? Wie macht man die Zeit messbar?

Grundlage jeder Uhr ist ein Vorgang, der sich in gleicher Weise dauernd wiederholt die Schwingung eines Pendels oder einer Feder, die Drehung der Erde um ihre Achse und ihre Bewegung um die Sonne sind Beispiele dafür. Jeder Wiederholung des Vorganges ordnet man definitionsgemäß die gleiche Zeitdauer zu.

Leider gibt es in der Natur keine Vorgänge, die sich wirklich exakt wiederholen. Kleine Unregelmäßigkeiten sind stets unvermeidbar. Daher war es von größter Bedeutung für den Uhrenbau, dass Galileo Galilei um 1600 eine bemerkenswerte Eigenschaft des Pendels entdeckte: Wie er selbst berichtete, beobachtete er die Schwingungen eines hängenden Leuchters im Dom von Florenz. Dabei fand er, dass die Schwingungsdauer dieses - und jedes anderen - Pendels nicht von der Amplitude abhängt. Dadurch eignen sich Pendel vorzüglich zur Regelung des Ganges von Präzisionsuhren. Der Gang der Uhr wird nämlich durch kleine Veränderungen der Schwingungsweite des Pendels, die durch äußere Störungen stets unvermeidlich sind, nicht beeinflusst.Galileis Entdeckung machte erstmals die Konstruktion von Präzisionsuhren möglich, die eine

Genauigkeit von wenigen Sekunden pro Tag aufweisen. Bis in unser Jahrhundert hinein war die Pendeluhr der Präzisionszeitmesser, der höchsten Ansprüchen genügte. Kleine tragbare Uhren mussten allerdings nach anderen Gesichtspunkten gebaut werden. Hierfür war Huygens Entdeckung ausschlaggebend, dass auch die Dauer der Schwingungen einer Feder unabhängig von der Auslenkung aus der Ruhelage ist. In der Folge waren es vor allem die Anforderungen der Seefahrt, die entscheidende Impulse zur Weiterentwicklung tragbarer Uhren gaben. Während die geographische Breite aus dem Sonnenstand leicht genau bestimmt werden kann, ist für eine Bestimmung der geographischen Länge aus dem Stand von Gestirnen die Kenntnis der genauen Uhrzeit unerlässlich. Die Uhren des 17. Jahrhunderts genügten den Ansprüchen der Seefahrt in keiner Weise. Zahlreiche Schiffskatastrophen waren die Folge fehlerhafter Längenbestimmung. Als im Jahre 1709 vier Schiffe mit zweitausend Mann untergingen, entschloss sich die englische Regierung zur Aussetzung eines Preises für die Konstruktion eines Schiffschronometers. Im Jahre 1761 gelang John Harrison der Bau einer Uhr, die in 161 Tagen nur 5 Sekunden falsch ging. Die relative Genauigkeit dieser Uhr betrug also

Δt/t = 5/13910400 ≈ 3,6·10^-7.

Übertragen auf die Längenmessung würde dies bedeuten, dass wir ein Strecke von 1 km Länge mit einer Genauigkeit von 0,4 mm ausmessen müssten.

Das 19. Jahrhundert brachte weitere Verbesserungen der Uhrentechnik. Man lernte die Aufhängung des Pendels fast reibungsfrei zu gestalten und die Wärmeausdehnung von Pendeln, Unruhen und Federn durch geeignete Materialien zu unterdrücken. Allmählich erreichte man aber die Grenze der Verbesserungsmöglichkeiten mechanischer Uhren.

Ein entscheidender Durchbruch wurde erst wieder im 20. Jahrhundert erzielt. Um 1930 entstanden die ersten Quarzuhren, bei denen die Schwingungen eines Quarzkristalls den Taktgeber der Uhr bilden. Dabei benützt man die Tatsache, dass ein Quarzkristall seine Länge ändert, wenn man auf seine Enden positive und negative elektrische Ladungen aufbringt. Diese Erscheinung nennt man Piezo-Elektrizität. Bringt man den Quarzkristall in ein elektrisches Wechselfeld, so ändert er periodisch seine Länge und beginnt zu schwingen. Diese Schwingung benützt man zur Konstruktion von Quarzuhren. Wegen der hervorragenden Schwingungseigenschaften von Quarzkristallen kann man dabei eine Genauigkeit von Bruchteilen einer Sekunde im Jahr erreichen.

Noch höhere Genauigkeit erreichen Atomuhren. Ihr Gangfehler ist ca. 10000 mal kleiner als der von Quarzuhren. Solche Atomuhren stehen z.B. in der Physikalisch-Technischen-Bundesanstalt in Braunschweig (PTB). Diese Atomuhren sind mit dem Zeitzeichensender in Deinflingen verbunden, welcher die Funkuhren steuert.

Die nebenstehende Graphik stellt grob die Ganggenauigkeit verschiedener Uhrtypen dar.