Die Zeit und über ihre Zeitmacher | Freier Journalist - Berlin - Rüdiger Voßberg

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Redaktion: Kultur

Die Zeitmacher
Keine Zeit: Zwischen einem Tick und einem Tack vergeht keine gleiche Sekunde

Wer steht schon gern mit den Hühnern auf? Geht, geschweige denn, mit ihnen ins Bett. Der Volksmund nennt keine Namen. Lediglich sagt er aus, dass Mensch und Federvieh in grauer Vorzeit ihr Tagwerk nach dem Stand der Sonne lenkten. Huhn und Hahn gehorchen diesem Gesetz noch heut; der Mensch hingegen schuf sich sein eigenes. Denn die Astronomen unter ihnen starrten nachts ans Firmament, rechneten mit komplizierten Formeln und zeichneten ovale Bahnen auf Papier. Sie bestimmten die Zeit.

Die Astronomen erkannten: Tag und Nacht entstehen, weil sich die Erde um ihre Achse dreht. Ein Jahr ist verstrichen, wenn sie in etwa 365 1/4 irdischen Tagen die Sonne umlaufen hat. Jeder Ort auf der Erde hat seine eigene Zeit: die Ortszeit. Erreicht die Sonne den höchsten Stand am südlichen Horizont, sprechen Astronomen von „12 Uhr wahrer Ortszeit”. Dieser „wahre Mittag” erscheint aber nur gleichzeitig an den Orten, die auch auf einem gemeinsamen Längengrad liegen, wie etwa Trondheim in Norwegen und Tunis in Afrika. Aber die Menschen in Frankfurt/Oder erleben den Sonnenaufgang zirka eine halbe Stunde früher als die Bürger von Aachen. Die Zeitdifferenz in Ost-West-Richtung beträgt in unseren Breiten etwa 1 Minute je 20 Kilometern.

Noch zu Beginn des 19. Jahrhunderts stellte man in Deutschland die Uhren nach der „wahren Sonne”. Uhrmacher waren ihre eigenen Astronomen, und sie waren viel beschäftigt. Denn die Zeitspanne von einem „wahren Mittag” zum nächsten variiert im Laufe des Jahres. Das Phänomen beruht auf der Neigung der Erdachse und ihrer elliptischen Bahn um die Sonne. Dann blickten Uhrenträger entsetzt zum Himmel, wenn die Sonne 12 Uhr zeigte und der Vergleich mit dem Taschenchronometer sie schier verzweifeln ließ. Entweder ging das Ding vor oder tickte hinterher. Uhrmacher fürchteten um ihre Zunft. Eine Lösung bot die „mittlere Sonnenzeit”, die nach damaligen Erkenntnissen gleichförmig ablief. Sie differierte maximal um +/-15 Minuten von der „wahren Sonnenzeit”. Die Zeit wurde den Uhren angepasst. Berlin war in Deutschland die erste Stadt, die die „mittlere Sonnenzeit” einführte. Aber auch diese Zeit ist eine Ortszeit.

Die verschiedenen Ortszeiten gerieten erst dann zu einem Problem, als der Uhrenmensch lange Reisen von Ost nach West oder West nach Ost unternahm. Die Uhr in Berlin gestellt, zeigte in Stuttgart eine spätere Zeit als schwäbische Exemplare. Für den Reisenden war es vielleicht zu ertragen, verpasste er doch nur seine lieben Verwandten. Für die Eisenbahngesellschaften hingegen war es fatal. Ein zuverlässiger Betrieb konnte so nicht gewährleistet werden. Die Gesellschaften mussten eine sogenannte Normalzeit einführen, die nur für den internen Betrieb galt. 1873 gab es in den USA 71 verschiedene Eisenbahnzeiten. Fortan mussten sich die Bürger mit den Ortszeiten und den Normalzeiten plagen.

Den Weg aus diesem Dilemma zeichnete Sandford Flemming, Chefingenieur der kanadischen Pazifikbahn. Er machte 1876 den Vorschlag, die Erde in 24 Zeitzonen einzuteilen. Jede dieser Zeitzonen soll sich über 360 Grad : 24 = 15 Längengrade erstrecken. Jede Zeitzone ist eine Stunde lang, in der nur eine mittlere Ortszeit gilt. Der Längengrad durch Greenwich bei London soll Bezugspunkt für die Weltzeiten sein. Seit dem 1. April 1893 gilt in Deutschland die mittlere Sonnenzeit des 15. Längengrades östlicher Breite von Greenwich als gesetzliche Zeit auch für das bürgerliche Leben. In jenen Tagen wurde heftig um die „Zeitreform” debattiert. Die Verschiebung des natürlichen, von der Sonne angezeigten Mittags zugunsten des künstlichen werde bis in die Magennerven fühlbar sein, fürchteten die Hypochonder im weiten Reich.

Einer Reform folgte 40 Jahre später die Revolution: Adolf Scheibe und Udo Adelsberger, beide Physiker an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt zu Berlin entwickelten um 1933 die erste genaue Quarzuhr. Sie fanden heraus, dass die „Erduhr” unregelmäßig geht. Eine Sekunde ist nicht gleich eine Sekunde! Die Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde ist jahreszeitlich verschieden lang; ferner taumelt ihre Umdrehungsachse und trägt zur Unvorhersagbarkeit der Drehung bei. Insgesamt plus minus 0,03 Sekunden. Im Frühjahr zeigt die Erduhr zu spät, im Herbst zu früh. Ein mathematisches Gesetz konnten die Wissenschaftler aber nicht formulieren. Keine Chance für genaue Uhren?

Vier genaue Cäsium-Atomuhren „ticken” bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB ) in Braunschweig. „Bei Cäsium denkt jeder sofort an Atomkraft und Tschernobyl”, klagt Bernd Fischer Physiker im Zeitlabor über die Intoleranzseiner Zeitgenossen. Atomuhren strahlen nicht! Cäsium besitzt die physikalischen Eigenschaften, um als „Treibstoff” bei 175 Grad Celsius in Atomuhren verdampft zu werden. Die Atomkerne müssen magnetisch sein, und auf der äußersten Elektronenbahn des Elementes darf nur ein Elektron kreisen, erklärt der Physiker dem Laien. Dass die fünf Gramm Cäsium etwa 100 Mark kosten, erschließt sich dem Laien eher. Der Gedanke, Atomschwingungen als Taktgeber für Uhren zu nutzen, brachte dem amerikanischen Physiker Isidor Isaac Rabi 1944 den Nobelpreis ein. 20 Jahre später kam Hewlett Packard mit der ersten industriellen Cäsium-Atomuhr auf den Markt. Theoretisch könne man auch Wasserstoff oder Natrium als Quelle verwenden, sagt Fischer. Alle Elemente der ersten Hauptgruppe im Periodensystem seien dafür geeignet.

Nach folgendem Prinzip funktionieren alle Atomuhren: Ihre Atome kommen in verschiedenen Energie-Zuständen vor. Diese werden durch das kreisende Elektron auf der äußersten Bahn und seiner Wechselwirkung mit dem magnetischen Kern erzeugt. Eine Kompassnadel in Ruhe weist zum Nordpol; dreht man sie um 180 Grad, wird sie wieder in die Ursprungsposition zurückschwingen. Dabei wird Arbeit in Form von Reibung geleistet. Ähnlich verhält es sich bei Cäsiumatomen: die um 180 Grad gedrehte Nadel entspricht dabei einem energiereicheren Atom. Nur gibt dieses Atom nicht - wie die Kompassnadel - seine Energie „freiwillig” ab. Darum werden die Atome mit Mikrowellen bestrahlt. Die Ausbeute, ist dann am größten, wenn die Frequenz des Mikrowellenfeldes den selben Wert hat, wie das Cäsiumatom nachher als Energie in Form einer Mikrowelle abgibt: nämlich 9 Milliarden 192 Millionen 631 Tausend 770 Schwingungen pro Sekunde.

„Die Energie der erfassten Atome ist so gering, dass man damit keine Sekunde erzeugen kann”, erläutert Fischer. Darum werden die schwachen Signale einer Quarzuhr als Taktgeber zugeordnet. Das Cäsium dirigiert quasi das Spiel der Quarzuhr. In einer Sekunde zählen Atomuhren bis 9.192.631.770, dadurch wird die Auflösung dieser Zeitspanne präziser. War der „Raum” zwischen einer Sekunde bisher ein unbekanntes Territorium, eröffnet sich durch die Atomuhren ein weites Universum. Dennoch liegt ein unsichtbarer Schatten darüber: Die Wissenschaft glaubt heute, dass die Energieabgabe aller Cäsiumatome zeitlich und von Atom zu Atom konstant ist. Wohlgemerkt ein Glaube! „Ein Gegenbeweis und alles wäre umsonst!” konstatiert Fischer mit dem Wissen eines Physikers.

Geeicht wurde die erste Atomuhr mit der bis dato genauesten Erd-Sekunde (Ephemeridenzeitsekunde). Die internationale Atomzeit berechnet sich heute aus den Daten von 250 Atomuhren und weicht nach einem Jahr (geschätzt) etwa 0,3 millionstel Sekunden ab. Auch eine Atomuhr altert, denn das Cäsium reicht nur für 25 Jahre. Dann hört sie abrupt auf, geht nicht vor, geht nicht nach. Darüber wachen die Hüter der Zeit - § 2 Zeitgesetz vom 25. Juli 1978, 16 Uhr 17 Bonner Ortszeit. Aus Braunschweig kommt der Takt, den Deutschlands Uhren ticken.

Zuerst erschienen in der Ostsee Zeitung am 21.12.1996

Links:
(update 17.6.2003)

"Hüter der Zeit streiten sich um die Schaltsekunde" mehr >>>


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