Zeit und Zeitmessung

Die physikalische Größe Zeit

Die Zeit ist eine grundlegende Größe für die Beschreibung von Vorgängen. Sie ist auch eine unentbehrliche Größe für unser tägliches Leben (Bild 1).

Die Zeit gibt an, wie groß die Dauer zwischen zwei Ereignissen ist.
Formelzeichen: t
Einheit: eine Sekunde (1 s)

Vielfache der Einheit eine Sekunde sind eine Minute (1 min), eine Stunde (1 h), ein Tag (1 d) und ein Jahr (1 a):
1 min = 60 s
1 h = 60 min = 3 600 s
1 d = 24 h = 1 440 s = 86 400 s
1 a = 365 d oder 366 d (im Schaltjahr)

Beachte: In der Astronomie unterscheidet man zwischen Sterntag und siderischem Tag, zwischen siderischem und synodischem Monat, zwischen tropischem Jahr, siderischem Jahr und Kalenderjahr.

Teile der Einheit eine Sekunde ist eine Millisekunde ( 1 ms):
1 s = 1 000 ms
1 ms = 0,001 s

Bei Bewegungen kann z. B. die Zeit zwischen dem Beginn und dem Ende der Bewegung gemessen werden. Beginn und Ende der Bewegung erfolgen jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Statt von Zeit spricht man manchmal auch von Zeitdauer oder von Zeitintervall. Gemeint ist damit immer die Dauer zwischen zwei Ereignissen, also eine Zeit.
Davon zu unterscheiden ist der Zeitpunkt, unter dem ein bestimmter Moment verstanden wird. Umgangssprachlich wird ein Zeitpunkt auch mit dem Wort Zeit belegt.

Definition der Sekunde

Die Einheit Sekunde ist eine Basiseinheit des Internationalen Einheitensystems (SI). Bis 1956 war die Sekunde festgelegt als 86.400ster Teil des mittleren Sonnentages. Ab 1956 erfolgte die Festlegung, dass die Sekunde der 31.556.925,974.7-te Teil des tropischen Jahres ist. 1967 wurde schließlich die heute noch gültige Festlegung getroffen:

Eine Sekunde ist das 9.192.631.770-fache der Periodendauer (Schwingungsdauer) der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Atoms Caesium-133 entspricht.

Als Messgeräte für die Zeit eignen sich alle periodischen Vorgänge. Uhren unterschiedlicher Bauart nutzen solche periodischen Vorgänge.

Die ersten Uhren

Die ältesten bekannten Uhren zur Zeitmessung sind Sonnenuhren (Bild 2). Man findet sie heute in den verschiedensten Varianten an Gebäuden oder in Parks.
Viele Jahrhunderte hindurch wurden auch Wasseruhren oder Sanduhren genutzt, bei denen man eine fließende Wasser- und Sandmenge für die Zeitmessung verwendet. Solche Uhren wurden ständig verbessert mit dem Ziel, die Genauigkeit der Zeitmessungen zu erhöhen. Dabei nutzte man auch schon Räderwerke.

Sonnenuhren gehören zu den ältesten Arten von Uhren. Es gibt sie in vielfältigen Bauformen.

Erste mechanische Uhren

Die ersten bekannten mechanischen Uhren aus dem 14. Jahrhundert besaßen ebenfalls Räderwerke, die durch große Gewichte angetrieben wurden. Solche Uhren hatten mitunter auch eine Steuereinrichtung, die „Hemmung“, die den Gang der Uhr steuerte.
Im 16. Jahrhundert wurden die ersten tragbaren Taschenuhren entwickelt. So baute um 1512 der Nürnberger Schlosser PETER HENLEIN (1479-1542) Taschenuhren, die wegen ihrer Form als „Nürnberger Eier“ bezeichnet wurden. Als Antrieb für diese Taschenuhren wurden kleine Spiralfedern genutzt (Bild 3).

Zu den ersten mechanischen Uhren gehörte das von PETER HENLEIN gebaute „Nürnberger Ei“

Pendeluhren

Einer, der wesentlich zur Verbesserung der Uhren beigetragen hat, war der Holländer CHRISTIAAN HUYGENS (1629-1695). Aus eigenen astronomischen Untersuchungen wusste er um die Notwendigkeit genauerer Uhren. Mithilfe der mechanischen Schwingungen eines Pendels entwickelte Huygens die Genauigkeit von Uhren weiter. Dabei konnte er sich auf physikalische Arbeiten von GALILEO GALILEI (1564-1642) stützen. GALILEI hatte erkannt, dass die Periodendauer (Schwingungsdauer) eines Pendels unabhängig von der Masse des Pendelkörpers ist. Er nahm auch an, dass die Periodendauer unabhängig von der Amplitude der Schwingung ist. Dies gilt jedoch nur für kleine Auslenkungen, also für kleine Amplituden. HUYGENS erkannte diesen Irrtum GALILEIs und entwickelte eine Formel für die Periodendauer von verschiedenen Pendeln mit beliebigen Amplituden. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse konstruierte HUYGENS 1656 eine Pendeluhr, in der er das bekannte Räderuhrwerk mit einem Pendel koppelte (Bild 4). 1657 erhielt er für diese geniale Idee ein Patent. Die von ihm gebaute Schiffspendeluhr (Chronometer) setzte sich aber nicht durch.

Pendeluhr von Christiaan Huygens (1629-1695)

1674 konstruierte HUYGENS unabhängig von dem Engländer ROBERT HOOKE (1635-1703) eine Taschenuhr mit einer Spiralfeder als Unruh, die ebenfalls mechanische Schwingungen ausführte (Bild 5). Die Genauigkeit der mechanischen Uhren wurde in den nächsten Jahrzehnten immer weiter verbessert. Die physikalischen Prinzipien, auf denen sie beruhten, die mechanischen Schwingungen, blieben die gleichen.

Uhr mit Unruh: Zur Steuerung der Uhr werden mechanische Schwingungen genutzt.

Quarzuhren und Atomuhren

Erst im 20. Jahrhundert wurden elektrische Uhren entwickelt, die elektromagnetische Schwingungen nutzen. 1929 wurde in den USA die erste Quarzuhr, in der ein Quarzkristall schwingt, gebaut. Quarzuhren hoher Genauigkeit wurden 1932 auch von den deutschen Physikern SCHEIBE und ADELSBERGER in der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin entwickelt.
Eine noch größere Genauigkeit als Quarzuhren weisen Atomuhren (Bild 5) auf, bei denen der Gang von Schwingungen in Atomen gesteuert wird. Die erste Atomuhr wurde 1948 für das National Bureau of Standards, das nationale amerikanische Normungsinstitut, gebaut.
Die neuesten Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt vom Typ CSF-1 weisen eine Gangunsicherheit von einer Sekunde in dreißig Millionen Jahren auf. Damit diese Zeit nicht mehr als 0,75 s von der Zeit in Greenwich (UT) abweicht, die aus astronomischen Messungen der Erdrotation abgeleitet wird, werden hin und wieder Schaltsekunden eingefügt. Diese Korrekturen werden am 30. Juni und am 31. Dezember durchgeführt.
Durch Atomuhren der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt werden über einen Sender in Mainflingen bei Frankfurt (Main) auch die Funkuhren gesteuert, die man als Wecker, Armbanduhren oder Wanduhren kaufen kann. Dieser Sender hat eine Leistung von etwa 30 kW. Das Signal wird im Langwellenbereich mit einer Frequenz von 77,5 kHz abgestrahlt und ist in einem Umkreis von etwa 2.000 km zu empfangen.

Atomuhr in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig
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