Die Sekunde ist in der Uhrmacherei fast allgegenwĂ€rtig – ob sie nun in der Mitte des Zifferblatts steht oder schĂŒchtern von einem Hilfszifferblatt bei 6:00 Uhr (oder anderswo – 9:00 Uhr ist eine weitere mögliche Position) zu Ihnen heraufblinzelt, der Sekundenzeiger lĂ€sst Sie die Zeit auf sehr direkte und sinnliche Weise vergehen. Die Sekunde ist, selbst bei Armbanduhren ohne Sekundenzeiger, in den grundlegenden Mechanismus einer Uhr eingebaut – Unruhen sind so konstruiert, dass sie so viele Male pro Sekunde schlagen. Eine Unruh, die mit 18.000 Halbschwingungen pro Stunde schlĂ€gt, schlĂ€gt auch fĂŒnfmal pro Sekunde, und solange sie genau fĂŒnfmal pro Sekunde schlĂ€gt, nicht mehr und nicht weniger, haben Sie eine perfekt genaue Uhr.
Vor nicht allzu langer Zeit (in den Kommentaren zu Hey, HODINKEEs Drinky Bird als Uhr) fragte H. Community-Mitglied Lug2Lug: “Wie konnten die Uhrmacher ursprĂŒnglich sicherstellen, dass jedes Ticken des Sekundenzeigers genau eine Sekunde dauert und nicht ein anderes gleichmĂ€Ăiges Intervall?”
Diese Frage besteht eigentlich aus zwei Fragen: Erstens, wie kam es dazu, dass wir die Sekunde anstelle eines anderen kleinen Zeitintervalls in fake Uhren verwenden, und zweitens, wie schaffen es die Uhrmacher, dass ihre Oszillatoren mit der richtigen Frequenz schwingen, d. h. mit der richtigen Anzahl von Schwingungen pro Sekunde?
Sonnenuhr “Longitude Dial” von Will Andrewes
Die Sekunde ist ein Bruchteil eines durchschnittlichen Sonnentages – ein Tag wird ĂŒblicherweise in 24 Stunden eingeteilt, und wenn man einen Tag als die Zeit definiert, die die Sonne braucht, um zu einem bestimmten Punkt am Himmel zurĂŒckzukehren, dann durch 24 teilt, dann durch 60 teilt, erhĂ€lt man 1440 Minuten pro Tag. Teilt man erneut durch 60, erhĂ€lt man 86.400 Sekunden pro Tag.
Soweit ich feststellen konnte, haben wir den 24-Stunden-Tag von den alten Ă€gyptischen und babylonischen Astronomen ĂŒbernommen, die die Tageslichtperiode in 10 Stunden einteilten, plus eine Stunde fĂŒr die DĂ€mmerung und eine fĂŒr die MorgendĂ€mmerung. Diese Einteilung beruhte auf der scheinbaren Bewegung der Sonne am Himmel, und schlieĂlich einigten sich diese alten Sterndeuter auf eine Gruppe von Sternen, mit deren Hilfe sie auch die Nacht in Stunden unterteilen konnten.
Die Division durch 60 haben wir von den alten Babyloniern ĂŒbernommen (die auch eine geometrische Form dieses Folterinstruments der Mittelstufe, die quadratische Formel, verwendeten, um von den Bauern Steuern zu erheben, indem sie die FlĂ€che ihrer Felder berechneten). Vielleicht ist es ihrer Neugier und ihrem Einfallsreichtum zu verdanken, dass wir es geschafft haben, den Subsistenzbauern das Getreide wegzunehmen und dafĂŒr zu sorgen, dass die Fabrikarbeiter keine Sekunde lĂ€nger als 15 Minuten Pause machen).
Grand Complication Taschenuhr von George Daniels, versteigert bei Phillips, 2019
Wenn Sie die Sonne zur Bestimmung der TageslĂ€nge heranziehen, werden Sie feststellen, dass die tatsĂ€chliche LĂ€nge eines Sonnentages im Laufe eines Jahres um etwa plus 16 Minuten oder minus 14 Minuten schwankt. Dies ist der Unterschied zwischen der auf einer Sonnenuhr abgelesenen Zeit und der auf einer Uhr abgelesenen Zeit – die so genannte Zeitgleichung. Wenn man Eisenbahnen betreiben und sicherstellen will, dass der kleine Bertram nicht mit der Arbeit in der MĂŒhle nachlĂ€sst, braucht man die mittlere Sonnenzeit, d. h. die durchschnittliche LĂ€nge eines Tages im Laufe eines Jahres. Die LĂ€nge des mittleren Sonnentages ist die Grundlage fĂŒr die LĂ€nge einer Sekunde.
Die Wörter “Minute” und “Sekunde” stammen aus dem Lateinischen: partes minutae primae fĂŒr Minuten und partes minutae secundae fĂŒr Sekunden.
Nun funktioniert das ganze System nur, wenn die Annahme, dass sich die Geschwindigkeit der Erdrotation nie Ă€ndert, tatsĂ€chlich zutrifft. Doch als die Uhren immer genauer wurden, wurde immer deutlicher, dass die Rotation der Erde um ihre Achse nicht konstant ist, und so musste die Sekunde durch einen anderen Standard neu definiert werden. Nach der Erfindung der Atomuhren wurde die Sekunde durch die Frequenz einer CĂ€sium-Atomuhr neu definiert: “Die Sekunde ist gleich der Dauer von 9192631770 Perioden der Strahlung, die dem Ăbergang zwischen den Hyperfeinstrukturniveaus des ungestörten Grundzustands des CĂ€sium-133-Atoms entspricht”, so die offizielle Definition. Dies entspricht genau 1/86.400stel eines mittleren Sonnentages, wie er – man beachte – 1957 gemessen wurde, als die Frequenz eines CĂ€sium-Atomstandards als Bruchteil eines astronomisch beobachteten Sonnentages bestimmt wurde.
Die CĂ€sium-Atomuhr NIST-F2 im Physiklabor des National Institute of Standards and Technology, Abteilung Zeit und Frequenz
Okay, woher wissen Sie also, dass Ihr Oszillator die richtige Anzahl von SchlĂ€gen pro Sekunde macht? Heutzutage hat jeder, der einen Internetzugang hat, auch Zugang zu einem atomaren Zeitstandard, der weitaus prĂ€ziser ist als die Erdrotation. Aber wie haben Uhrmacher und Uhrmacherinnen in der sprichwörtlich guten alten Zeit ihre Uhren auf die richtige Zeit gebracht? Nun, der goldene Standard, das wird Sie nicht ĂŒberraschen, war die Astronomie.
Wenn man etwa im spĂ€ten 17. und frĂŒhen 18. Jahrhundert eine hochprĂ€zise Pendeluhr herstellte (zu dieser Zeit kamen sehr genaue Pendeluhren erst richtig in Schwung), verwendete man entweder zwei aufeinanderfolgende Transite der Sonne zur Mittagszeit oder zwei aufeinanderfolgende Transite eines Sterns, was leichter zu beobachten ist (das Royal Observatory verwendete eine raffinierte Methode zur Einstellung der Uhren nach den Transiten der Sonne, die so genannte Double Altitude Method). Es war bekannt, dass die Periode eines Pendels von seiner LĂ€nge abhĂ€ngt und dass ein Pendel mit einer LĂ€nge von genau 0,994 Metern einmal pro Sekunde schwingen wĂŒrde. Die richtige LĂ€nge eines Sekundenpendels wurde erstmals 1644 von dem französischen Philosophen und Mathematiker Marin Mersenne (1588-1648) bestimmt.
HochprĂ€ziser astronomischer Regulator von Thomas Tompion, fertiggestellt 1676 fĂŒr das Königliche Observatorium. Die Uhr verfĂŒgt ĂŒber ein dreizehn FuĂ langes Pendel, das von der Pendelrolle angetrieben wird, die von hinten nach vorne schwingt.
Uhrwerk, Tompion PrÀzisionsregler
Dann mĂŒsste man die Uhr aufstellen, ihre Zeitmessung mit dem entsprechenden Transit abgleichen und die LĂ€nge geringfĂŒgig anpassen, um den Takt zu erhöhen oder zu verringern, bis man die gewĂŒnschte Genauigkeit erreicht hat. Dasselbe Verfahren wĂŒrde auch fĂŒr Uhren gelten, wenngleich die Methodik etwas anders war.
Eine Methode war die Herstellung einer Testunruh, die mit der richtigen Frequenz schlĂ€gt und mit der man die Leistung der Kombination aus Unruhspirale und Unruh einer Serienuhr ĂŒberprĂŒfen kann. Sobald die annĂ€hernd richtige Frequenz erreicht war, erfolgte die endgĂŒltige Einstellung von Frequenz und Schlagzahl ĂŒber die Feinregulierung der Unruhspirale und die Einstellung der Zeitmessgewichte am Unruhreif.
Vibration einer Uhrenspirale mit einer Referenzunruh, Montblanc Minerva, Villeret
Soweit ich weiĂ, war der erste Uhrmacher, der einen Sekundenzeiger an einer Uhr anbrachte, der Schweizer Mathematiker und Uhrmacher Jost BĂŒrgi (1552-1632), wie in David Landes’ Revolution in Time erwĂ€hnt . Der Sekundenzeiger ist natĂŒrlich nur dann nĂŒtzlich, wenn eine Uhr einigermaĂen genau geht, und zu BĂŒrgis Lebzeiten war die PrĂ€zisionszeitmessung noch nicht so weit entwickelt, dass ein Sekundenzeiger viel Sinn gemacht hĂ€tte. Die erste Pendeluhr, die von Huygens entworfen wurde, wurde erst 1657 fertiggestellt, und die Unruhspirale, die fĂŒr die PrĂ€zision einer Uhr unverzichtbar ist, kam etwa zur gleichen Zeit (1660 oder so) auf. Die Spindelhemmung – die einzige, die zu BĂŒrgis Zeiten bekannt war – reagierte extrem empfindlich auf Kraftschwankungen, was zu ihrer schlechten Ganggenauigkeit beitrug. BĂŒrgi fand jedoch eine Lösung – den Remontoire (BĂŒrgi erfand den Schwerkraft-Remontoire und John Harrison, der Erfinder des ersten Marinechronometers, erfand den Feder-Remontoire). Durch den Einbau eines Remontoirs war BĂŒrgi in der Lage, Uhren zu bauen, die auch ohne Unruhfeder auf eine Minute pro Tag genau gingen. Es sollten jedoch noch mehr als zwei Jahrhunderte vergehen, bis Verbesserungen in Konstruktion und Design sowie die Erfindung der Anker- und Rasthemmung und die weit verbreitete Verwendung der Unruhspirale den Sekundenzeiger in Uhren praktisch werden lieĂen.
Zeitrafferaufnahme des Nachthimmels, die die scheinbare Bewegung der Sterne zeigt
Wenn man eine Uhr hat, deren Gang nicht mehr als ein paar Sekunden pro Tag schwankt, ist es interessant und sogar bewegend, sich vorzustellen, wie mĂŒhsam es war und wie viele Jahrhunderte es gedauert hat, uns diese Art von PrĂ€zision zu ermöglichen. Es ging im wahrsten Sinne des Wortes darum, herauszufinden, wie wir das, was wir vor Tausenden von Jahren am Himmel sahen, auf unsere Handgelenke ĂŒbertragen können. Die Tatsache, dass eine solch wunderbare Genauigkeit mit nichts anderem als Stahl, Messing, Rubinlagern und Ăl erreicht werden kann, ist eine der wunderbarsten Errungenschaften der Menschheitsgeschichte – und ein guter Grund, die mechanische Uhr zu bewundern und zu schĂ€tzen.
Weitere Informationen ĂŒber die Entwicklung des Sekundenzeigers bei Armbanduhren finden Sie unter “Zentralsekunde, kleine Sekunde und mechanische Fauxtina”. Mehr ĂŒber Atomuhren und die Geschichte der Definition der Sekunde finden Sie unter “Next-Gen Atomic Clocks Set To Redefine The Second” (Atomuhren der nĂ€chsten Generation werden die Sekunde neu definieren). Und wenn Ihr Motto “Go Granular Or Go Home” lautet, sollten Sie sich diesen hochprĂ€zisen Artikel ĂŒber die Zeitbestimmung anhand von astronomischen Transiten ansehen , der von niemand Geringerem als dem Royal Observatory stammt.