Wie Zeit gemacht wird

In Wissenschaft und Technik ist Zeit - Einstein wusste es - relativ: Es gibt in der Natur keine allgemein gültige, allein aus den physikalischen Gesetzen ableitbare Definition der Gleichzeitigkeit. Und doch ist es in der Praxis sehr wichtig, sich zumindest per Konvention auf eine einheitliche Zeit zu einigen. Zur Synchronisierung von Telekommunikationsnetzen, von Energieversorgung und Navigationssystemen beispielsweise müssen bestimmte Prozesse und Schaltvorgänge an verschiedenen Orten auf der Erde sogar auf Millionstel Sekunden genau aufeinander abgestimmt sein!

Die bei weitem wichtigste solche Konvention ist die Koordinierte Weltzeit (UTC, Universal Coordinated Time), die Grundlage der Zeitbestimmung weltweit, für technisch-wissenschaftliche Anwendungen ebenso wie im täglichen Leben. Sie entsteht in Zusammenarbeit zwischen Zeitinstituten in den einzelnen Ländern, dem Internationalen Büro für Maß und Gewicht BIPM ("Bureau International des Poids et Mesures") und dem IERS ("International Earth Rotation and Reference Systems Service"). Wie geht das im Einzelnen vor sich?

Gewünschte Eigenschaften von UTC

An eine Weltzeit sind hohe Ansprüche zu stellen. Zum einen soll sie ohne großen Aufwand jedermann und überall zuverlässig zur Verfügung stehen. Zum zweiten soll sie ein hohes Maß an Stabilität aufweisen: Jede Weltzeit-Sekunde sollte so lange dauern wie jede andere Weltzeit-Sekunde - aufgrund der begrenzten Ganggenauigkeit selbst der besten Uhren bei weitem keine triviale Forderung. Außerdem sollen die Weltzeit-Sekunden natürlich gerade so lang sein wie die im internationalen Einheitensystem SI definierte Zeiteinheit Sekunde.

Mit anderen Worten, die zur Definition der Weltzeit verwandten Uhren sollten einer idealen Uhr so nahe wie möglich kommen - das wäre eine Uhr, deren Sekundenschritte zu jeder Zeit genau der Sekunde des internationalen Einheitensystems entsprechen.

Andererseits soll UTC aber zumindest näherungsweise der traditionellen Zeitmessung entsprechen, die sich ja bekanntlich aus der Erdrotation ableitet und beispielsweise die Durchschnittslänge eines Tages verwendet, um die Dauer einer Stunde, Minute oder Sekunde festzulegen ("mittlere Sonnenzeit").

Zuverlässigkeit im Verbund

Eine einzelne Uhr, und sei sie noch so gut im landläufigen Sinn, kann als Basis der Weltzeit nicht ausreichen. Zum einen könnte sie eben doch jeden Moment stehen bleiben. Zum anderen ist es bei einer einzelnen Uhr unmöglich festzustellen, wie stark ihre Sekundenlänge mit der Zeit schwankt. Das gelingt nur bei einem größeren Ensemble von Uhren - dort kann man im Vergleich mit dem Mittelwert abschätzen, um wieviel die einzelnen beteiligten Uhren vom Ideal abweichen.

Dementsprechend wird das Rückgrat der Weltzeit durch eine Gruppe von derzeit rund 220 Uhren gebildet, die über die ganze Welt verteilt sind. Betrieben werden sie von etwa 65 verschiedenen Institutionen, von nationalen Metrologieinstituten (wie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig) bis hin zu Einrichtungen, die Forschungen auf den Gebieten Raumfahrt, Astronomie, Geodäsie oder Telekommunikation betreiben. Zum Einsatz kommen Uhren, die aufgrund ihrer Funktionsweise bereits höchste Genauigkeit versprechen, nämlich die allergenauesten Atomuhren: Caesiumatomuhren und Wasserstoffmaser.

Über die Gänge der beteiligten Atomuhren wird dabei nach einem genau vorgegebenen Verfahren gemittelt - aus den aufeinanderfolgenden Sekundenticks der verschiedenen Uhren wird eine Art "mittlerer Sekunde" gewonnen. Dazu wählt jedes der Institute eine seiner Uhren als lokale Referenz und gibt der von ihr abgegebenen Folge von Sekundenticks die Bezeichnung UTC(X) - das X steht dabei für den Institutsnamen; die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) beispielsweise realisiert auf diese Weise eine Zeit UTC(PTB). Mit Hilfe von Funksignalen werden diese verschiedenen Zeitskalen untereinander verglichen, so dass man die Zeitunterschiede zwischen ihnen mit einer Unsicherheit von wenigen Milliardstel Sekunden kennt. (Wie sich Zeit zu Vergleichszwecken von einem Ort zum anderen übertragen lässt, wird im Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen - von der Funkuhr zur Satellitennavigation beschrieben.) Diese Vergleiche geschehen in einer netzwerkartigen Struktur, die in der folgenden Abbildung zu sehen ist:

Weitere informationer erhalten Sie bei der Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Zeitskala der Uhren

Um 1000 soll der Mönch Gerbert aus Aurillac / Frankreich, der spätere Papst Silvester II, auf den Gedanken gekommen sein, eine Räderuhr zu bauen oder bauen zu lassen. 1269 tauchte erstmals der Begriff Uhrmacher in einem Dokument auf. ca. 1292: Waag-Räderuhren in engl. Klöstern und Kathedralen 1336 Turmuhr in Milano mit Schlagwerk 1337-39 baute Roger v. Stroke die berühmte astronomische Uhr für die Kathedrale von Norwich. 1344 wurde für den Stadtherrenpalast in Padua eine Uhr mit 24-Stunden-Schlagwerk gebaut. 1345 Messung der Stunde spätestens ab diesem Jahr in 60 Minuten, und diese in 60 Sekunden. 1368 In Breslau wird eine Turmuhr mit 12-Stunden-Schlagwerk aufgestellt. Bald finden sich solche Turmuhren auch in allen größeren europäischen Städten. 1410 In Montpellier wird der Turmwächter wegen wiederholter Trunkenheit seines Amtes enthoben und durch eine Uhr mit Schlagwerk ersetzt. Damit wird zum ersten Mal der Ersatz eines Menschen durch eine Maschine urkundlich erwähnt. 1427: Erfindung der Uhrfeder von Heinrich Arnold (1460) 1475 Aus dem erhalten gebliebenen erst kürzlich wiederentdeckten Skizzenbuch des Augustinerpaters und Uhrmachers Paulus Almanus aus dieser Zeit geht hervor, dass bereits damals Federzugwerke und die Spindelhemmung bekannt waren. Auch die Schnecke, zunächst angetrieben durch eine Darmsaite, wird bereits bei Uhren mit Triebfeder verwendet, um die ungleichmäßige Kraftentwicklung der Feder zu kompensieren. Diese Erfindung wurde lange Zeit Jakob Zech aus Prag (1525) zugeschrieben. 1510: Erfindung der Taschenuhr von Peter Henlein (Nürnberger Ei) um 1511 Der Nürnberger Schlosser Peter Henlein baut sehr beliebte tragbare Uhren, die 40 Stunden gehen. Vermutlich gab es aber bereits zuvor tragbare Uhren. um 1530 Die Schnecke wird nun durch eine Kette statt Darmsaite angetrieben. Das Prinzip Schnecke / Kette wird sich später in präzisen Chronometern wieder finden. 1544 Die Pariser Uhrmachergilde wird gegründet. 1583 Der italienische Student und spätere Astronom Galileo Galilei erkennt an den Schwingungen eines Leuchters den Isochronismus der Pendelschwingung. 1587 Eine erste Uhr mit koaxialer Zeigeranordnung wird gebaut. Allerdings dient zunächst der lange Zeiger zur Anzeige der Stunden, die Minuten werden durch den kurzen Zeiger angezeigt. 1595 An Christoph Markgraf wird ein Patent für eine Kugellaufuhr erteilt. 1631 wurde in London wird die "Worshipful Company of Clockmakers" gegründet. 1636 entwickelte der italienische Astronom Galileo Galilei die Idee einer Pendeluhr, unternimmt Versuche und erstellt Zeichnungen, setzt diese aber nicht in die Praxis um. Angeblich soll Galileis Sohn Vincenzo diese Uhr gebaut und in einem wahnhaften Anfall wieder zerstört haben. 1656/57 Christiaan Huygens baut die erste Uhr mit Pendel. Nach einer Quelle sind ihm die Erkenntnisse Galileis bekannt, nach anderer Quelle hingegen nicht. 1657 meldet Huygens diese Uhr zum Patent an. 1674 Christiaan Huygens baut die erste Uhr mit Unruh und Spirale. Ein französisches Patent wird 1675 darauf erteilt. Die erste Uhr mit wirklich brauchbarer Spiralfeder (Spirale) wird von Thuret im Auftrage Huygens in Paris gebaut. 1680 konstruierte der Engländer Clement die Hakenhemmung. Außerdem ersetzt er die bis dahin gebräuchliche Pendelaufhängung an einem Faden durch eine dünne Stahlfeder, den Vorläufer der heutigen Pendelfeder. um 1680 wird die Projektionsuhr erfunden. Dabei wird die Zeit durch ein rotierendes, an die Wand projiziertes Zifferblatt angezeigt, ein dort hängendes Schwert dient als Zeiger (beschrieben im Optischen Lehrbuch von Johann Zahn, 1685). 1686 Daniel Quare, London, siegt in einem Patentstreit um die Erfindung der Repetitionsuhr. 1687 Falcio schlägt durchbohrte Rubine als Lager vor, welche auch bald von englischen Uhrmachern angewandt werden. 1690 Der englische Uhrmacher Thomas Tompion erfindet den Vorläufer der später von Graham verbesserten Zylinderhemmung für Taschenuhren. Ein Patent dafür wird 1695 an Tompion, Houghton und Barlow erteilt. 1691 Clement baut die erste Pendeluhr mit Ankerhemmung. 1714 Jeremy Thacker verwendet erstmals die Bezeichnung "Chronometer". Außerdem erfindet er das Gegengesperr, dass das Stehenbleiben der Uhr beim Aufziehen verhindert. um 1720 entwickelte der englische Uhrmacher George Graham aus der Hakenhemmung die nach ihm benannte Grahamhemmung. 1724 Dutertre, Paris, entwickelt die Duplexhemmung. 1725 Graham verbessert die von Tompion erfundene Zylinderhemmung. 1725 bis 1727 Die Brüder John und James Harrison bauen zwei Standuhren, die erstmalig mit der "Grashopper-Hemmung" versehen sind. Eine weitere Neuerung ist das Rostpendel, welches der Temperaturkompensation dient. 1730 Anton Ketterer aus Schönwald im Schwarzwald baut die erste Kuckucksuhr. 1730 bis 1735 Die Brüder John und James Harrison bauen eine erste genau gehende Schiffsuhr. 1741 Louis Amant, Paris, erfindet die Stiftanker- bzw. Scherenhemmung (auch Reibungs- oder Stiftnockenrad-Hemmung) für Turmuhren neu. Diese war allerdings bereits im 17. Jahrhundert von Galileo Galilei erfunden worden, wurde bei der Turmuhr des Palazzo Vecchio in Firenze angewandt und war nur in Vergessenheit geraten. 1751 J. A. Lepaute verbessert die Stiftankerhemmung und führt diese für Wand- und Stutzuhren allgemein ein. 1759 Der englische Uhrmacher John Harrison stellt einen wirklich präzisen Schiffschronometer her. Solche Präzisionsuhren sind für die Seefahrt zwecks Bestimmung des genauen Längengrades von hoher Bedeutung. 1764 John Arnold fertigt die erste Uhr mit einem in Rubin ausgeführten Zylinder, eine in einen Ring eingebaute Repetitionsuhr für den König von England. um 1765 werden im Schwarzwald die ersten Pendeluhren gebaut anstelle der bis dahin gebräuchlichen Waaguhren. 1765 Der englische Uhrmacher / Chronometermacher Thomas Mudge erfindet die Ankerhemmung für Kleinuhren. um 1770 Abraham Louis Perrelet erfindet den automatischen Aufzug für Kleinuhren. Er stattet eine Taschenuhr mit Rotor und Wechsler aus, ein Prinzip, das erst im Jahre 1942 von ETERNA wieder aufgegriffen wird und sich dann bei Armbanduhren vorzüglich bewährt. 1775 An John Arnold wird ein Patent erteilt für eine bimetallische Kompensations-Unruh mit zylindrischer "Spirale". 1776 Der englische Uhrmacher John Arnold baut zum ersten Mal eine zylindrische "Spirale" in einen Chronometer ein. Der Franzose Pierre Le Roy baut einen Marinechronometer mit Chronometerhemmung. Es ist jedoch nicht zweifelsfrei erwiesen, ob er diese selbst erfunden hat. 1782 An John Arnold wird ein Patent erteilt für die Chronometerhemmung mit Feder. Die Chronometerhemmung mit Wippe wurde bereits früher von ihm verwendet. 1783 Abraham Louis Breguet führt die Tonfeder bei Repetieruhren ein. Er versieht seine Uhren ab diesem Jahr mit der nach ihm benannten, charakteristischen Zeigerform. 1790 Abraham Louis Breguet erfindet die "parachute"-Stoßsicherung. 1795 Abraham Louis Breguet erfindet die nach ihm benannte "Breguet-Spirale", die ein gleichmäßiges "Atmen" bewirkt. Erst sehr viel später wird sich herausstellen, dass bei entsprechender Wahl der Ansteckpunkte die kompliziert herzustellende Breguet-Spirale eigentlich überflüssig ist. um 1795 werden gelegentlich in der obersten Gesellschaftsschicht Schmuckuhren am Armband getragen. Damit ist die Armbanduhr erfunden. Diese Erfindung wird gelegentlich auch Abraham Louis Breguet zugeschrieben, weil dieser 1810 eine Armbanduhr an die Königin von Neapel geliefert hat. 1801 Abraham Louis Breguet lässt das von ihm erfundene Tourbillion patentieren. Diese komplizierte Vorrichtung, die Lagedifferenzen einer tragbaren Uhr automatisch ausgleicht, gilt seitdem als eine der schwierigsten Komplikationen, die nur in besonders wertvollen Uhren Anwendung findet. Allerdings werden die Vorteile dieser Konstruktion durch ihre erhöhte Stoßempfindlichkeit / größere Massenträgheit wieder aufgezehrt. 1820 Abraham Louis Breguet vollendet die bis dahin kompliziertest tragbare Uhr. Den Auftrag dazu erhielt er bereits im Jahre 1783. Die Uhr mit dem Namen "Marie Antoinette" vereint in sich folgende Komplikationen: Minutenrepetitions-Schlagwerk Ewiger Kalender Unabhängig anhaltbare Zentralsekunde Äquationsanzeige Automatischer Aufzug Gangreserveanzeige Thermometer DieUhr befindet sich heute im Mayer-Museum in Jerusalem. Nach anderer Quelle soll diese Uhr erst 1827, also 4 Jahre nach Breguets Tod, fertiggestellt worden sein. um 1820 wird ein Teil der hölzernen Räder bei Schwarzwälder Uhren gegen solche aus Messingguss ersetzt. Die Spindelhemmung mit kurzem Vorderpendel wird durch die Ankerhemmung mit langem Pendel ersetzt. 1820 In der Schweiz wird die Verwendung von Lochsteinen eingeführt, um die Lagerreibung zu verringern und dem Verschleiß vorzubeugen. um 1830 Bei Schwarzwälder Uhren werden nun ausschließlich Messingräder verwendet, die Schnur durch eine Kette ersetzt, Metallglocke und Tonfeder eingeführt. um 1842 Adrien Philippe führt bei Taschenuhren die Aufzugkrone und die Zeigerstellung über die Krone ein. 1843 An Alexander Bain wird ein Patent erteilt für ein elektromagnetisch angetriebenes Pendel. Er gilt als der Erfinder der elektrisch angetriebenen Uhr. 1844 Im Schwarzwald wird eine Jahresuhr gebaut. 1845 Adolf Lange beginnt in Glashütte / Sachsen mit der Produktion der später berühmt gewordenen Glashütter Taschenuhren. 1860 Der Franzose Phillips löst das Problem der Erzielung des Isochronismus auf wissenschaftlicher Grundlage. 1868 Georges Roskopf eröffnet in La Chaux de Fonds eine Uhrenfabrik, in der besonders preiswerte Taschenuhren hergestellt werden. Die Roskopfuhren weisen einige konstruktive Vereinfachungen auf, wodurch, zusammen mit der rationellen fabrikmäßigen Herstellungsweise, der günstige Preis möglich ist. Dadurch wird es nun auch den unteren Bevölkerungsschichten möglich, Taschenuhren zu besitzen. Teile der Roskopf-Konstruktionsmerkmale werden sich noch lange in einfachen Uhren wiederfinden. 1870 Der Pariser Uhrmacher Joseph Winnerl erfindet den Schleppzeigermechanismus ("Rattrapante"). 1896 In Delta, Michigan, werden von den Ingersoll Bros. die ersten One Dollar Uhren hergestellt, von denen bald jährlich 1 Mio. Stück verkauft werden. 1912/14 ETERNA (Schweiz) stellt einen ersten Armbandwecker her. Bereits 1894 gab es eine Konstruktionszeichnung eines Armbandweckers von Carl Otto Major. 1927 ROLEX stellt die absolut wasserdichte Armbanduhr "Oyster" vor. 1922 Fachzeitschriften berichten von einer in England entwickelten Armbanduhr mit automatischem Aufzug. 1923 Automatikuhr von John Harwood 1926 Die erste in Serie hergestellte Automatikuhr, die HARWOOD, wird von FORTIS auf den Markt gebracht. Diese arbeitet mit einer Pendelschwungmasse, ein eher unvorteilhaftes System. Die Erkenntnisse von Abraham Louis Perrelet, der bereits im 18. Jahrhundert eine Automatikuhr mit Rotor und Wechsler, das später angewandte Prinzip, konstruierte, sind dem Konstrukteur Harwood nicht bekannt. 1927 Quarzuhr von Warren Alwin Marrison 1932 ROLEX lässt den Automatikaufzug mit einseitig wirkendem Rotor patentieren. Perrelets Erfindung von ca. 1770, die zudem mit einem Wechsler für beidseitigen Aufzug ausgestattet war, war längst in Vergessenheit geraten. 1933 Die von Reinhard Straumann entwickelte autokompensierende NIVAROX-Spirale (aus einer speziellen Legierung) kommt in der Schweiz auf den Markt. Diese stellt eine weitere Verbesserung der ELINVAR-Spirale dar und ist erheblich besser als die allerdings noch längere Zeit übliche gewöhnliche Stahlspirale. 1934 Ab diesem Jahr wird der Kunststoff PMMA (Acryl), bekannt unter dem Handelsnamen PLEXIGLAS, kommerziell hergestellt. Eine der ersten Anwendungen ist die Fertigung von Uhrgläsern. Die Acrylgläser lösen vor allem Gläser aus Triazetat oder Zelluloid ab, die zwar auch bruchfest sind, aber mit der Zeit schrumpfen und vergilben. 1947 Die ersten russischen Armbanduhren, POBJEDA (=Sieg) werden bei der Ersten Moskauer Uhrenfabrik hergestellt. Die Produktion des 15-steinigen, nicht stoßgesicherten, mit Breguetspirale ausgestatteten Werkes wird später an die Uhrenfabrik SIM abgegeben. In der Schweiz wird von LEMANIA ein Prototyp eines Automatik-Chronographen gebaut. Zu einer Serienfertigung kommt es nicht. 1949: Atomuhr 1954 Max Hetzel entwickelt eine transistorgesteuerte Stimmgabel-Armbanduhr. 1955 Die Cäsium-Atomuhr, die ab 1964 praktisch angewandt wird, wird in Großbritannien entwickelt. Eine Sekunde ist die Zeitspanne von 9 162 631 770 Caesium - Atomschwingungen dieser Uhr 1957 HAMILTON (USA) beginnt die Serienfertigung einer elektrischen Armbanduhr. 1960 BULOVA (USA/Schweiz) bringt die Stimmgabel-Armbanduhr ACCUTRON auf den Markt. 1967 Funkuhr Wolfgang Hilberg (Telefunken - Patent) 1968 Schweiz, ETA: Einführung der ersten automatischen Herrenarmbanduhr mit Datum, Wochentag und Schnellkorrektur für beide Anzeigen. 1969 Chronographen mit automatischem Aufzug kommen auf den Markt. Der erste wird von ZENITH herausgebracht, kurz darauf folgt ein Modulchronograph eines Schweizer Firmenkonsortiums (BREITLING, HEUER, BÜREN und DUBOIS-PRAZ) sowie ein japanischer Automatik Chronograph von SEIKO. 1970 Auf der "Basel 70" stellen verschiedene Firmen Quarz-Armbanduhren vor. 1975 ETA bringt das flachste industriell hergestellte Automatikwerk mit Zentralsekunde, Datumanzeige und Schnellkorrektur auf den Markt (Kaliber 2892). 1977 Der Engländer George Daniels erfindet die besonders reibungsarme Koaxialhemmung. Zu diesem Zeitpunkt hat niemand ein Interesse an einer Verbesserung der mechanischen Uhr, daher kommt es nicht zu einer Serienproduktion. Daniels baut die neuartige Hemmung in seine eigenen, in Kleinstserie produzierten Uhren ein. 1978 Es wird ein Patent erteilt an die EBAUCHES S. A. für eine quarzgesteuerte mechanische Armbanduhr. Dieses Patent wird bis zu seinem Ablauf nicht genutzt. Der traditionelle Werkehersteller ADOLF SCHILD fusioniert mit ETA. Die Produktion der weitaus meisten AS-Werke, u. a. sämtlicher Weckerwerke, wird eingestellt. 1979 Die Produktion des schweizer Automatik-Modulchronographen wird eingestellt. 1980 Die flachste Quarzuhr der Welt, die Delirium IV mit einer Höhe von 0,98 mm wird in der Schweiz vorgestellt. 1982 In der Schweiz wird die Produktion von einfachsten, nicht reparierbaren Plastik-Modeuhren (SWATCH) aufgenommen. Diese verbuchen einen phänomenalen Erfolg. 1986 Bei ZENITH wird die Produktion des Automatik Chronographen von 1969 wieder aufgenommen. Aufgrund der Weitsicht des damaligen Betriebsleiters, der Mitte der 70er Jahre die wertvollen Werkzeuge eingemottet hatte, anstatt sie weisungsgemäß zu verschrotten, ist das möglich. 1989 JUNGHANS bringt die erste funkgesteuerte Armbanduhr auf den Markt. 1992 ETA bringt ein neues, superflaches Automatikwerk (Kaliber 2000, Höhe 3,6 mm) auf den Markt. Die Konstruktion kostete ca. 5 Mio. Schweizer Franken. 1996 ETA bringt ein neues Automatik-Chronographenwerk (2894-2) heraus mit einer Höhe von nur 6,1 mm   1996 startet der M&D Uhrenversand......     Natürliche Uhren Zur ungefähren Zeitmessung (Jahre) werden auch andere in der Natur ablaufende Prozesse verwendet. In übertragenem Sinn kann man die sich verändernden Objekte oder Stoffe oder als Uhren bezeichnen. Solche natürlichen Uhren sind zum Beispiel die Jahresringe bei Bäumen, der radioaktive Zerfall von Kohlenstoff (Radiokohlenstoffdatierung), die Schichtung von Sedimenten und andere. Das älteste bekannte Mineral ist das Zirkon, das zur Altersbestimmung der Erde herangezogen werden kann. Quelle: Wikipedia u.a.     Irtümer und Druckfehler sind nicht beabsichtigt aber möglich ! Kein Anspruch auf Richtigkeit oder Vollständigkeit.