Der Mensch im Takt der Uhr

Erste Zeitmessgeräte

Eines der ältesten Zeitmessinstrumente ist die Sonnenuhr, die bereits um 3.500 vor Christus in Ägypten und Mesopotamien verwendet wurde. Eine simple Stange aus Holz oder Metall, der sogenannte Gnomon, warf einen schmalen Schatten, dessen Länge und Position die Tageszeit anzeigte. War der Schatten eines Obelisken oder eines Gnomons am kürzesten, war es Mittag. „Sonnenuhren waren im heutigen Deutschland noch lange nach der Erfindung mechanischer Uhrwerke verbreitet“, erklärt Johannes Graf, „die älteste Sonnenuhr in unserem Museum stammt aus dem frühen 16. Jahrhundert, die jüngste aus dem Jahr 1996.“ Sonnenuhren waren jedoch nur bei Tageslicht und heiterem Himmel nutzbar.

Womöglich deshalb hatten bereits die alten Ägypter und Griechen die Wasseruhr (Klepsydra) entwickelt, die von der Sonne unabhängig war. Diese bestand aus einem Behälter mit einem kleinen Loch am Boden, durch das Wasser in konstantem Tempo auslief. Die Zeit wurde anhand des Pegelstands gemessen.

Die alten Chinesen hatten ebenfalls Wasseruhren, die sie zu komplizierten Apparaten mit mehreren Behältern und mechanischen Komponenten weiterentwickelt hatten. Damit ließen sich dann auch kleinere Zeitmaßeinheiten ermitteln.

Willkürliche Zeiteinteilung

Heute weiß jeder Grundschüler: Eine Minute hat 60 Sekunden, eine Stunde hat 60 Minuten. Und ein Tag hat 24 Stunden – weil die Erde nämlich exakt so lange braucht, um sich einmal um sich selbst zu drehen. Nur: Warum genau diese ziemlich willkürliche Einteilung in 24 Abschnitte?

Die bis heute gebräuchliche Tageszeitmessung hat historische Wurzeln, die bis nach Babylonien zurückreichen: Die dortige Zählweise folgte dem Duodezimal- und Sexagesimal-System mit 12 und 60 als Bezugsgrößen. Dieses System basierte, ebenso wie das Dezimalsystem mit 10 als Bezugsgröße, auf der Physiologie der menschlichen Hände: Die Babylonier nahmen jedoch nicht alle zehn Finger als Basisgröße. Stattdessen zählten sie mit ihrem linken Daumen die Glieder der übrigen vier Finger an der linken Hand: Da jeder dieser Finger, vom Zeige- bis zum kleinen Finger, aus je drei Gliedern besteht, kam man auf insgesamt zwölf. Multiplizierte man diese zwölf Fingerglieder nun mit den fünf Fingern der anderen Hand, kam man auf 60. Die Zwölf und die 60 benutzten auch die Astronomen im Zweistromland für ihre Berechnungen, zumal eine ihrer wichtigsten Bezugsgrößen durch beide Zahlen teilbar war: die damals noch auf 360 veranschlagten Sonnenhöchststände eines Jahres.

Da diese Einteilung jedoch etwas unpräzise war, wurde das Jahr später von den Ägyptern um fünf Tage ergänzt: auf 365 Tage. Die Ägypter unterteilten außerdem, dem Duodezimal-System folgend, den Tag in je zwölf helle und zwölf dunkle Stunden. Ergibt in der Addition: 24. Diese Einteilung wurde von den Griechen übernommen: Da die Stunden der alten Ägypter im Sommer jedoch länger und im Winter kürzer waren, suchte der griechische Astronom Hipparch um 140 vor Christus nach einer genaueren Methode zur Erfassung des Laufs von Sonne, Mond und Sternen am Himmel. Sein ultimatives Ziel: die 24 Stunden eines Tages gleich lang zu machen. Dazu unterteilte Hipparch die Erdoberfläche der Länge nach mit 360 gedachten Linien, die sich von Pol zu Pol zogen, und erfand so die bis heute gebräuchliche Unterteilung der Erde in Längengrade. Bei gleichbleibend schneller Rotation um die eigene Achse, so dachte der Astronom ganz richtig, würde sich der blaue Planet pro Stunde um exakt 15 Grad drehen. Das entspricht genau einem Vierundzwanzigstel seines Umfangs. Eine Logik, die gut 2.000 Jahre später zur Einführung der 24 Weltzeitzonen führen sollte.

Einen weiteren wichtigen Schritt in die richtige Richtung unternahm Claudius Ptolemäus um circa 150 nach Christus. Der griechische Mathematiker unterteilte die von Hipparch ersonnenen 360 Längengrade in 60 gleiche kleinere Teile, die sogenannten Minuten, und diese wiederum in 60 noch kleinere Teile: die Sekunden. Diese Einheiten werden bis heute verwendet, um Positionen auf der Erde und den Stand der Sterne anzugeben. Viele Jahrhunderte nach Ptolemäus wurden auch die bis heute gültigen Untergrößen zur Zeitmessung Minuten und Sekunden genannt. Auf diesem Konzept basiert auch die kreisrunde Uhr: Deren 360-Grad-Skala lässt sich nicht nur in zwölf gleiche Kuchenstücke mit je 30 Grad Winkelneigung zur Stundenanzeige unterteilen, sondern auch in 60 kleinere Stücke à je sechs Grad zur Minutenanzeige. 90 Grad entsprechen somit einer Viertelstunde, 180 Grad einer halben Stunde.

Erste Uhren

„Doch Uhren, wie wir sie heute kennen, kamen erst relativ spät ins Spiel“, weiß Johannes Graf vom Deutschen Uhrenmuseum. Im 13. Jahrhundert zeigten in Europa die ersten Räderuhren auf Kirchtürmen die Zeit an. Hinter der Anzeige bestanden diese aus einem Gewichtsantrieb, mehreren Zahnrädern und einem Hemmungsmechanismus, der die Räder in bestimmten Intervallen anhielt und wieder freigab, sodass sie sich mehr oder minder gleichmäßig drehten. „Von diesen Uhren wissen wir heute jedoch nicht genau, wie ihre Anzeigen aussahen“, gesteht Graf. „Viele hatten wohl ein sogenanntes Astrolabium: Eine künstlerisch gestaltete Drehscheibe zeigte die Tageszeit anhand von Gestirnsformationen an: beispielsweise zur Mittagszeit die Sonne hoch am Himmel. Das Stundenkonzept, wie wir es heute kennen, war im 13. Jahrhundert noch nicht geläufig, damals war es allenfalls eine Rechengröße.“ Erst im Oberitalien des 14. Jahrhunderts brachte das Räderwerk immer zur vollen Stunde eine Glocke zum Ertönen, daher das englische Wort „clock“ für Uhr, abgeleitet von „clocca“, einem mittelalterlich-lateinischen Wort für Glocke.

Ab dem 14. Jahrhundert gab es auch die ersten Zeigeruhren, wohlgemerkt mit nur einem Zeiger. Dieser wanderte gemächlich von Stundenmarke zu Stundenmarke. „Eine Minutenanzeige wäre wohl auch nicht sonderlich zweckmäßig gewesen, denn die Uhren der damaligen Zeit hatten noch relativ große Gangfehler“, sagt Johannes Graf. „Eine tägliche Abweichung von 30 Minuten war keinesfalls ungewöhnlich.“ Zudem funktionierten die Mechanismen dieser Uhren nur bei ortsfester Anbringung. Mobil wurden die Zeitmesser erst mit der Einführung der Federzugmechanik ab dem 15. Jahrhundert. Anstelle eines Gewichtsantriebs wurden die Zahnräder nun durch die Kraft einer spiralförmig gewundenen und gespannten Stahlfeder in Bewegung gesetzt. „Anfang des 16. Jahrhunderts gab es dann auch die ersten Uhren mit Minutenzeigern“, ergänzt Graf, „das heißt aber nicht, dass diese auch auf die Minute genau gingen.“

Zeitmessung wird präziser

Einen Quantensprung in Sachen Präzision erreichte die Uhrmacher-Gilde dank des Pendels: Letzteres hat laut Galileo Galilei dank der Schwerkraft eine sehr gleichmäßige Schwingung, wobei gilt: Je schwerer das Pendel, desto gleichmäßiger der Takt. „Diese Erkenntnis nutzte Christiaan Huygens aus Den Haag bereits um 1656, um die erste Pendeluhr zu konstruieren“, erklärt Johannes Graf. Um die Reibungsverluste des Pendels auszugleichen, bekam dieses, wenn der mit dem Pendel verbundene Anker das Zahnrad freigab, einen fein abgestimmten Stoß. „Nun konnten erste Uhren gebaut werden, die Sekunden anzeigten“, so Graf, „und das sogar ziemlich präzise.“ Der Gangfehler einer Pendeluhr mittlerer Qualität betrug im 18. Jahrhundert nur noch wenige Sekunden pro Tag. Diese Zeitmesser funktionierten jedoch nur bei lotrechter Wandanbringung.

Spätestens im 19. Jahrhundert war die Zeitmessung ziemlich präzise. Nur: Die mangelhafte Koordination der lokalen Uhrzeiten sorgte für großes Durcheinander in einer zusehends vernetzten Welt. Mitte des 19. Jahrhunderts hatte nahezu jedes Dorf seine eigene Zeit, die sich nach dem Sonnenstand vor Ort richtete: Stand die Sonne am höchsten, war es Mittag. Einen Ort weiter aber konnte es bereits Viertel nach zwölf sein. Wie gefährlich dieses Kirchturmdenken angesichts immer schnellerer Verkehrsmittel war, offenbarte ein verheerendes Eisenbahnunglück in den USA: Am 12. August 1853 zeigte die Taschenuhr eines Lokführers in Virginia Falls zwar die richtige Uhrzeit an – aber eben nicht jene von Virginia Falls, wo er gerade auf Schiene war. In der Folge dampften zwei Züge auf derselben Gleisspur frontal ineinander. 13 Menschen starben. Die Antwort der Welt auf diese und andere Katastrophen waren sogenannte Einheitszeiten, die jedoch nur innerhalb von nationalen Grenzen galten und nach den Sonnenständen in den jeweiligen Hauptstädten oder Herrschersitzen ausgerichtet waren. Eisenbahn-Gesellschaften hatten diese Zeiten zu übernehmen, was insbesondere im geopolitisch kleinteiligen Europa für Verwirrung an den Grenzbahnhöfen sorgte. In den 1880er-Jahren galten allein in den fünf Anrainerstaaten des Bodensees – Österreich, Schweiz, Baden, Württemberg und Bayern – fünf verschiedene Uhrzeiten.

Einführung der Weltzeit

Echte Besserung brachte erst das bis heute gültige Weltzeit-System mit 24 aufeinander abgestimmten Zeitzonen, die sich nur noch nach Stunden unterscheiden würden. Unterteilt sind diese Zeitzonen nach dem über 2.000 Jahre alten Längengrad-Konzept von Hipparch, auch wenn die moderne Einteilung der Längengrade aus politischen Gründen heute anders verläuft als zu Hipparch-Zeit. „Der heute bekannte Nullmeridian führt durch Großbritannien, das im 19. Jahrhundert bekanntlich die bedeutendste Weltmacht war“, erklärt Johannes Graf. Obendrein war einer der wichtigsten Wegbereiter der 24 Weltzeitzonen ein britisch-kanadischer Ingenieur: Sandford Fleming dachte aus seiner eigenen Migrations-Biografie heraus stark transatlantisch und legte sein Konzept der versammelten Weltgemeinschaft ans Herz. Damit, so Fleming, würde nicht nur der Eisenbahn-Fernverkehr, sondern auch der internationale Schiffsverkehr sehr viel besser vor Karambolagen geschützt sein. Zudem würde die mit 24 Zeitzonen einhergehende Einteilung der Tage in 24 Stunden – also von 0.00 Uhr bis 23.59 Uhr – die Fahrpläne verlässlicher machen als die bisherige Einteilung in zweimal zwölf Stunden. Fleming selbst hatte einst auf einer Irlandreise seinen Zug verpasst, weil in einem gedruckten Fahrplan fälschlicherweise „p.m.“ gestanden hatte, was für post meridiem (nach Mittag) steht, statt „a.m.“ für ante meridiem (vor Mittag). Im Oktober 1884 wurde Flemings Vorschlag auf der Prime Meridian Conference in Washington mehrheitlich angenommen und in den folgenden Jahrzehnten in immer mehr Ländern eingeführt.

Das Konzept der 24 Weltzeitzonen gewährleistete auch, dass die Sonne weiterhin an jedem Ort der Erde um circa zwölf Uhr mittags im Zenit stehen würde. Die gewohnten Tageszeiten mit den entsprechenden Lichtverhältnissen blieben also erhalten. Am 1. April 1893 war es auch hierzulande so weit: Per Reichsgesetz führte Deutschland die Mitteleuropäische Zeit (MEZ) ein. Gekoppelt war diese an die neue globale Referenzzeit: die Greenwich Mean Time (GMT), eine durch astronomische Messungen bestimmte mittlere Sonnenzeit auf dem durch die Sternwarte von Greenwich in London führenden „Nullmeridian“. In Deutschland sollte man dieser Referenzzeit fortan um genau eine Stunde voraus sein. Das blieb auch so, als die Greenwich Mean Time 1928 in Universal Time (UT) umbenannt wurde. „Diese im Deutschen zumeist ,Weltzeit‘ genannte Zeit gilt seither nicht nur in der entsprechenden Zeitzone links und rechts des Nullmeridians“, weiß Johannes Graf: „Wann immer es um weltumspannende Ereignisse geht, etwa um die Koordinierung des internationalen Flugverkehrs oder um die globale Wetterbeobachtung, legt man die Weltzeit zugrunde.“ Seit 1972 wird diese übrigens durch Atomuhren gemessen und Coordinated Universal Time (UTC), zu Deutsch „koordinierte Weltzeit“, genannt.

Höchste Präzision

Ebenfalls 1972 gewann erstmals ein Mensch olympisches Gold dank eines Vorsprungs im Tausendstelsekunden-Bereich. Bei den damaligen Sommerspielen von München nutzten die Organisatoren modernste Quarztechnik zur Zeitmessung: Entsprechend geschliffene Quarzkristalle weisen eine äußerst hohe Schwingungsfrequenz von meist 32.768 Schwingungen pro Sekunde auf. Folglich können sie den Takt einer Uhr sehr genau vorgeben. Nutznießer in München war Gunnar Larsson, ein schwedischer Schwimmer, der die 400 Meter Lagen (je zwei Längen Rückenschwimmen, Schmetterling, Freistil und Brustschwimmen) in einer Zeit von 4:31,981 Minuten gewann. Der zweitplatzierte US-Amerikaner Tim McKee benötigte 4:31,983 Minuten. Für Zuschauer und Athleten war dieser hauchzarte Vorsprung nicht greifbar. Deshalb änderte der internationale Schwimmverband FINA die Regeln: Die Zeitmessung erfolgt seither nur noch auf die Hundertstelsekunde genau. Wenn also zwei Schwimmerinnen oder Schwimmer im selben Finaldurchgang die 100 Meter Freistil in 55,92 Sekunden zurücklegen – wie die US-Athletinnen Carrie Steinseifer und Nancy Hogshead bei den Olympischen Sommerspielen 1984 in Los Angeles –, werden zwei Goldmedaillen vergeben.

Bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig hingegen strebt man nach immer größerer Genauigkeit in puncto Zeitmessung und betreibt probeweise mehrere Atomuhren der nächsten Generation: Sogenannte „Optische Uhren“ arbeiten nicht mit Cäsiumatomen, sondern etwa mit Ytterbium oder Strontium. Bei ihnen wird eine Übergangsfrequenz im sichtbaren Spektralbereich genutzt, daher der Name. Da sichtbares Licht eine deutlich höhere Frequenz hat als Mikrowellenstrahlung, ist diese Art Uhren viel genauer. Der (hypothetische) Gangfehler von Optischen Uhren liegt bei rund einer Sekunde in mehreren Milliarden Jahren. Doch die PTB-Forscher arbeiten schon an der übernächsten Generation: Eine sogenannte Kernuhr soll demnächst den Dienst aufnehmen. Bei dieser Uhr sollen nicht mehr die energetischen Übergänge in der Elektronenhülle von Atomen als Taktgeber genutzt werden, sondern Vorgänge im Kern von Atomen. Diese sind weniger anfällig gegen Störungen von außen, etwa elektromagnetische Felder.

Johannes Graf vom Deutschen Uhrenmuseum weiß nur zu gut, was manche Menschen über Atomuhren denken: „Diese unvorstellbare Genauigkeit mag mitunter fast absurd anmuten. In Wahrheit aber ist sie äußerst sinnvoll, denn zahlreiche Normgrößen zur Längen-, Gewichts- oder Spannungsmessung werden heute über Zeitgrößen definiert, weil man Zeit eben so unglaublich klein aufspalten kann.“ Ein Meter zum Beispiel ist per 1983 eingeführter Definition die „Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während einer 299.792.458stel Sekunde durchläuft“. //