Gliederung dieser Studie
- Einführung und Seite 1: Instrumente aus der Zeit vor der Schrift.
- Seite 2: Instrumente zur Beobachtung von Schatten.
- Seite 3: Instrumente zur Beobachtung der Gestirne.
- Seite 4: Instrumente mit Durchfluss oder Verbrennung.
- Seite 5: Uhren und moderne Instrumente. (Diese Seite)
Es tut mir leid für alle, die den Mut hatten, dieser Studie von Anfang an zu folgen, aber ich werde mich noch einmal wiederholen - und auf dieser Seite sogar mehr als auf den anderen. Ziel unserer Studie ist es, die Entwicklung der Messinstrumente unter dem Gesichtspunkt dessen zu verfolgen, was sie an Neuerungen in Sachen Präzision gebracht haben.
Sie werden auf dieser Seite daher weder eine Bildersammlung noch eine Bestandsaufnahme all dessen finden, was es weltweit an Uhren, Pendeluhren oder Armbanduhren gibt. Noch viel weniger werden Sie detaillierte technische Abhandlungen über Uhrmacherei finden. Allenfalls einige einfache - Spezialisten würden vielleicht sagen: allzu einfache - Erklärungen, die aber ausreichen, um die Entwicklung der Instrumente zu verstehen. Ich wäre übrigens kaum in der Lage, Ihnen zu erklären, was etwa eine chaussée avec tige oder ein roue de renvoi genau ist. Für alles Weitere verweise ich auf die vielen ausgezeichneten Fachseiten, die es dazu gibt.
Von der Uhr zur Armbanduhr
Allgemeines
Wie bei den Klepsydren wollen wir uns zunächst einige allgemeine Fragen stellen, bevor wir der technischen Entwicklung der Instrumente folgen.
Woher kommt das Wort horloge? Ein kurzer Blick ins Wörterbuch der Académie française: „Substantiv, feminin - früher männlich. In manchen Städten sagt man noch le gros horloge, etwa le gros horloge de Rouen. 12. Jahrhundert, oriloge, orloge, im Maskulinum. Über das lateinische horilogium aus dem spätgriechischen hôrologion gebildet, also ‚das, was die Stunde anzeigt‘.“
Halten wir nebenbei fest, dass das englische Wort clock vom französischen cloche stammt.
Die erste Uhr - wann, wo und von wem? Sagen wir es gleich: Niemand weiß, wer die erste mechanische Uhr erfunden hat. Das ist auch deshalb schwer zu klären, weil der Begriff horilogium sehr allgemein verwendet wurde und man oft nicht feststellen kann, ob damit eine mechanische Uhr, eine Klepsydra oder sogar eine Sonnenuhr gemeint ist. Erinnern wir uns an die kanoniale Sonnenuhr der Kirche von Mérindol-les-Oliviers in der Drôme mit ihrer Inschrift OROLOGII.
Mitunter schreibt man Gerbert, von dem wir bereits gesprochen haben, die Erfindung der mechanischen Uhr zu. Das ist mit hoher Wahrscheinlichkeit falsch. Und man darf sich ohnehin fragen: Wenn es stimmte, warum wäre diese Erfindung dann vom Ende des 10. Jahrhunderts bis zum Ende des 13. Jahrhunderts wieder in Vergessenheit geraten?
Denn tatsächlich tauchen die ersten mechanischen Uhren in Europa erst am Ende des 13. Jahrhunderts auf. Genauer gesagt in England: 1283 im Priory of Dunstable bei London. Andere folgten in den Jahren danach: Exeter in England 1284, Saint-Paul in London 1286, Canterbury 1292 - und noch viele weitere im 14. Jahrhundert.
Bemerkenswert ist, dass die mechanische Uhr ein genuin westliches Produkt ist. Weder die islamische noch die chinesische Zivilisation schlugen diesen Weg ein. Lag es an der Technologie oder an anderen Optionen - etwa an der hydraulischen Technik bei den Chinesen?
Ist die Uhr ein Zeitmessinstrument? Ich werde den Trick mit der Klepsydra hier nicht noch einmal wiederholen. Natürlich ist die Uhr - ebenso wie Sanduhr oder Klepsydra - ein Zeitwächter. Man könnte sogar sagen: Sie ist ein Zeitmarkierer. Denn unabhängig davon, wie lang die Stunde ist - von einer Uhr erwartet man, dass sie angibt, wie spät es ist.
Ist die Uhr ein wirklich interessantes Instrument? Oh ja. Tausendfach ja. Das Auftreten der Uhr ist mit Sicherheit eines der großen Grundereignisse des Mittelalters. Meiner Ansicht nach aus mehreren Gründen.
Ganz gewiss nicht wegen ihrer Präzision - in dieser Hinsicht sind Klepsydren und Sonnenuhren ihr überlegen. Die ersten mechanischen Uhren laufen nämlich unerquicklich ungenau und müssen mehrmals am Tag nach Sonnenuhren gestellt werden, wenn man verhindern will, dass sie fast eine Stunde pro Tag verlieren.
Ganz gewiss auch nicht wegen ihrer Majestät mit ihren beiden Zeigern hoch oben auf Kirchtürmen, Kathedralen oder Belfrieden. Einfach deshalb, weil die ersten Uhren noch weit davon entfernt sind, hoch in den Turmspitzen zu thronen. Sie begnügen sich zunächst mit Klöstern. Später gelangen sie in die unteren Geschosse von Kirchen. Erst noch später steigen sie in die Höhe der Türme auf. Ganz einfach deshalb, weil sie noch kein Zifferblatt haben. Und selbst wenn: Wer hätte es in einer Bevölkerung lesen können, die zu 95 % aus Bauern bestand?
Nebenbei: Warum wird die Vier auf vielen Zifferblättern als IIII statt als IV geschrieben? Vielleicht gerade deshalb, weil man IV und VI leicht verwechseln kann, wenn man das Zifferblatt nur so halbwegs entziffert.
Und selbst als sie ein Zifferblatt bekamen, genügte wegen ihrer Ungenauigkeit zunächst ein einziger Zeiger vollkommen.
Doch was macht man mit einer Uhr ohne Zifferblatt und ohne Zeiger? Ganz einfach: Sie alarmiert wie ein Wecker einen Glöckner, der dann die nächste Stufe übernimmt und die Glocken läutet - erinnern Sie sich: clock = cloche. Später, wenn sie schließlich all ihre Attribute erhält - Zifferblatt, Zeiger - und in die Türme aufsteigt, wird sie vom Uhrwärter betreut, der über sie wacht wie über seinen Augapfel. Überwachen, instand halten und mit der Sonne in Übereinstimmung bringen - das ist der Alltag dieser Menschen, die mitunter direkt im Glockenturm wohnten.
Genug mit dem „ganz gewiss nicht“; sehen wir nun, warum das Erscheinen der Uhr tatsächlich eines der großen Ereignisse des Mittelalters ist.
- Erstens, weil sie den Sieg der gleichen Stunden über die ungleichen Stunden bedeutet.
Wir haben auf den vorhergehenden Seiten gesehen, dass Instrumente wie Klepsydra oder Astrolab ungleiche Stunden liefern, also Stunden, deren Länge mit den Jahreszeiten wechselt - im Sommer zum Beispiel 80 Minuten, im Winter 50. Mit der Uhr - Präzisionsprobleme einmal ausgeklammert - dauert die Stunde nun sechzig Minuten, und der Tag hat 24 Stunden. Es gibt nicht länger eine besondere Tages- und Nachtzeit, sondern einen Tag aus 24 Stunden zu je 60 Minuten. Punkt.
- Zweitens, weil sie den Weg zu einer Säkularisierung der Zeit öffnet.
Bis ins 13. und 14. Jahrhundert gehört die Zeit Gott. Und damit ist sie Sache der Priester und der ihnen gleichgestellten Personen. Mit Hilfe der Glöckner, unterstützt durch Klepsydren oder Sonnenuhren, wird die Zeit durch Gebets- und Offizienstunden gegliedert. Erinnern wir uns an die kanonialen Sonnenuhren auf den vorherigen Seiten dieser Studie.
Als die mechanische Uhr erscheint, spielt sie zunächst die Rolle eines Weckers für die Glockenläuter. Dann steigt sie im Lauf der Zeit auf den Kirchturm, und nun kann jeder mit ihr machen, was er will. Die Stunde gehört endlich allen. Und außerdem ist sie, wie wir gerade gesehen haben, gleich lang. Und wenn die Uhr nicht mehr nur die Gebetsstunden, sondern schlicht die Stunden schlägt, ist die Säkularisierung vollendet.
Von da an neigt die Stunde aller dazu, zur Stunde jedes Einzelnen zu werden. Vereinfacht gesagt bildet jedes Jahrhundert einen Schritt in dieser Entwicklung. Im 17. Jahrhundert hält die Uhr Einzug ins Haus. Im 18. Jahrhundert wird sie am Körper getragen. Im 20. Jahrhundert landet sie am Handgelenk.
Vom Mittelalter an bewegen wir uns also über die Jahrhunderte hinweg von einer „klerikalen Kontrolle“ der Zeit zu ihrer Demokratisierung.
Missverstehen wir das allerdings nicht: Nicht die Uhr allein löst dieses Phänomen aus. Sie ist nur sein Werkzeug. Im Mittelalter war der Klerus eben nicht mehr der einzige, der Stunden oder Zeitmarken brauchte. Mit der Entwicklung von Handwerk, Industrie und Handel entstanden neue Bedürfnisse nach spezifischen Bezugspunkten - sei es zur Taktung der Arbeitszeit oder bestimmter Tätigkeiten. Nimmt man dazu noch die Bedürfnisse der königlichen Höfe und anderer Institutionen, versteht man gut, dass die Uhr ... genau zur rechten Zeit kam.
- Und schließlich, weil sie zu einer Loslösung der Zeit vom Ort führt.
Nicht nur die ungleiche Stunde stirbt, auch die Ortszeit wird schließlich verschwinden. Zugegeben: Das braucht seine Zeit, denn in Frankreich geschieht das erst 1891 - siehe die Studie zu den Zeitskalen. Mit modernen Verkehrsmitteln wie der Eisenbahn stellt sich das Problem mit aller Schärfe. Die Mechanisierung der Uhren gibt darauf eine Antwort. Alle Uhren Frankreichs werden auf dieselbe Zeit synchronisiert - auf die von Paris.
Im Magasin Pittoresque von 1880 findet sich ein Artikel mit dem Titel Unification de l'heure au moyen de l'électricité et de l'air comprimé.
Über pneumatische Uhren heißt es dort: „... Bereits mehrere nach diesem neuen System funktionierende Uhren, dessen Erfinder Herr Popp aus Wien ist, sind in Paris installiert worden ... Eine Zentraluhr ist so eingerichtet, dass jedes Mal, wenn ihr Pendel die sechzigste Sekunde einer Minute erreicht, ein Auslösevorgang stattfindet, der die komprimierte Luft in die Behälter strömen lässt; diese schießt sogleich durch die Leitungen des Netzes und bläht einen Balg auf, der sich an deren Ende befindet. Wenn sich der Balg aufbläht, hebt er einen kleinen Hebel, der ein Rad um einen Zahn weiterdreht, eines von sechzig, von denen jeder einer Minute entspricht. An demselben Rad ist der große Zeiger des Zifferblatts befestigt, der sich somit um eine Minute vorwärts bewegt ...
Die Einrichtung der ersten fünfzehn Zifferblätter erforderte achtzehn Kilometer Rohrleitungen, und ihre Anlage ist so beschaffen, dass alle Personen, die in der Nähe dieses Leitungsnetzes wohnen, die Uhrzeit direkt zu Hause empfangen können. Es genügt, vom Hauptrohr eine kleine Leitung abzweigen zu lassen, die die von der Verwaltung gelieferte Druckluft zu ihnen bringt.“
Grobe Funktionsweise
Mechanische Uhren besitzen vier wesentliche Bauteile:
- Eine Energiequelle - Gewicht oder Feder.
- Übertragungsorgane, die die Energie weiterleiten und die Dauer dieser Übertragung in gleiche Stunden aufteilen.
- Eine Hemmung oder Verteileinrichtung, die die Antriebskraft periodisch freigibt. Später wird sie auch die Aufgabe übernehmen, dem Regulierorgan - dem Pendel - jene Energie zurückzugeben, die es durch Dämpfung verloren hat.
- Ein Regulierorgan oder Oszillator, das unregelmäßige Bewegung in regelmäßige Bewegung umwandelt.
Hinzu kommen gegebenenfalls:
- Ein Anzeigesystem - Zifferblatt, Zeiger.
- Ein Aufzugsmechanismus, der die Energiequelle erneuert.
Die Entwicklung der Uhren verläuft in zwei Richtungen: Verkleinerung der Bauteile und Verbesserung der Präzision des Regulierungssystems. Uns interessiert natürlich vor allem die zweite Richtung.
Entwicklung
Am sinnvollsten ist es, die Entwicklung der Instrumente chronologisch zu verfolgen. Ich kann Sie beruhigen: Wir werden nicht noch einmal jene Chronologie nacherzählen, die im Quid steht und die man identisch auf verschiedensten Websites wiederfindet. In solchen Fällen genügt es doch, direkt auf die Ursprungsseite zu verlinken, oder?
Die ersten Regler: die Foliothemmung
Wir wissen weder, wer sie erfunden hat, noch das genaue Datum ihres Auftretens, das man wohl in die Zeit zwischen 1270 und 1330 legen kann.
An dieser Stelle kann ich nicht widerstehen, einen Abschnitt aus dem hervorragenden Buch von Gerhard Dohrn-van Rossum, Die Geschichte der Stunde, zu zitieren: „... Das Auftreten der Hemmung, die man heute als entscheidende Neuerung oder als bahnbrechende Erfindung betrachtet, schlägt sich im Bewusstsein der Zeitgenossen überhaupt nicht nieder. Sie wird bestenfalls als wichtiges, aber rätselhaftes Phänomen beschrieben. Sofort bemerkt wird dagegen das Auftreten der Schlaguhren, das als sensationelles technisches Ereignis mit weitreichenden sozialen Folgen wahrgenommen wird.“
Sehen wir uns also an, wie dieses System funktioniert, das man auch Spindelhemmung oder Kronradhemmung nennt.
Links eine Gesamtansicht eines Mechanismus mit Foliot. Rechts ein Detail der Hemmung mit Kronrad. Die Fotos wurden freundlicherweise von Jean Claude Sulka zur Verfügung gestellt, dessen Website einen Besuch wert ist.
Auf dem linken oberen Foto erkennt man rechts die Energiequelle: ein an einem Seil hängendes Gewicht, das sich um eine Trommel wickelt. Der linke Teil betrifft das Schlagwerk.
Auf dem rechten oberen Foto sieht man die Hemmung mit Foliot. Das Foliot ist ein T-förmiges Bauteil, dessen senkrechte Welle - die Spindel - oben einen Waagbalken trägt. Ein Zahnrad - das Kronrad -, das mit der Antriebstrommel verbunden ist, dreht über eine Palette die Spindel und den Balken, bis eine andere Palette, die mit der ersten einen Winkel von ungefähr 60° bildet, die Bewegung stoppt und die Drehrichtung umkehrt. Bei jeder Bewegung lässt das Foliot einen Zahn des Kronrads frei, daher der Name Hemmung für diesen Mechanismus. Die Dauer der Schwingung des Foliots kann verändert werden, indem man Reguliergewichte auf dem Balken verschiebt. Diese Schwingungsdauer muss einer Zeitnorm - Minute, Stunde usw. - entsprechen.
Das Wort foliot leitet sich von folie ab und spielt auf jene unaufhörliche Hin-und-her-Bewegung an, die der Balken ausführt. Zum ersten Mal begegnet der Begriff bei Jean Froissart, französischer Dichter und Chronist (1337-1404), in einem Gedicht mit dem Titel Li Orologe amoureus aus dem Jahr 1370.
Der Foliotmechanismus ist keineswegs nur den großen Uhren vorbehalten, wie diese Trommeluhr mit Foliot und vollständig aus Stahl bestehendem Werk zeigt. Anonym, Süddeutschland, um 1550.
In seinem Buch weist Gerhard Dohrn-van Rossum darauf hin, dass J. Drummond Robertson 1931 als Erster die Vermutung äußerte, die Uhrhemmung könne aus älteren Glockenschlagwerken hervorgegangen sein. Tatsächlich funktioniert das Schlagwerk nach demselben Prinzip wie die Hemmung, die wir soeben gesehen haben - nur dass das Foliot durch einen Hammerhebel ersetzt wird, der gegen eine Glocke schlägt. Natürlich ist die Schlagbewegung schneller.
Und Gerhard Dohrn-van Rossum erklärt, wie die mechanische Hemmung seiner Ansicht nach entstanden ist: In Klöstern waren „Wecker“ gängige Praxis. Im 13. Jahrhundert habe man entdeckt, dass man durch Verlangsamung der Schwingung des Glockenhammers, durch Vergrößerung seiner Masse und durch seine Einstellbarkeit eine stabile uhrmacherische Bewegung gewinnen konnte. Warum nicht? Auch wenn in puncto Stabilität und Präzision noch reichlich Luft nach oben blieb.
Eine Variante der Foliothemmung
Sie ist es, die Giovanni Dondi benutzt und in einem Werk aus dem Jahr 1365 beschreibt.
Links eine getreue Rekonstruktion der Planetenuhr - des Astrariums - von Giovanni Dondi, wie man sie im Leonardo-da-Vinci-Museum in Mailand sehen kann. Das Original existiert nicht mehr. Rechts die Zeichnung des unteren Rahmens nach einem Manuskript der Bibliothek des Eton College in Windsor.
Auf der rechten Zeichnung erkennt man im oberen Bereich, dass das Foliot durch ein waagerechtes Rad mit „Stiften“ ersetzt ist. Es stellt sich die Frage, wie dieser Mechanismus reguliert werden konnte. Bemerkenswert ist außerdem das Vorhandensein eines Zifferblatts.
Wechsel des Antriebs
Um 1450 erscheint die Stahlfeder als Energiequelle.
Verwechseln wir diese Triebfeder nicht mit jener Feder, die später im Regulierungssystem eine Rolle spielen wird.
Der Vorteil der Feder gegenüber dem Gewicht liegt darin, dass ihr geringer Platzbedarf die Beweglichkeit der Uhr erlaubt und damit die Miniaturisierung des gesamten Instruments - die Uhr kann zur Zimmeruhr oder zur Taschenuhr werden.
Sie hat jedoch einen entscheidenden Nachteil gegenüber dem Gewicht: Sie liefert beim Entspannen eine immer schwächer werdende Kraft. Die ersten Federuhren sind daher in ihrer Genauigkeit noch schlechter als die gewichtgetriebenen Uhren.
Man entwickelt deshalb rasch zwei Systeme, die diese Unregelmäßigkeit der Antriebskraft ausgleichen sollen. In Deutschland ist es das Stackfreed, das sich nicht lange hält. In Frankreich ist es die Schnecke, die sehr viel länger in Gebrauch bleibt.
Links das Stackfreed-System. Rechts das Schneckensystem. Der Ersatz der Schnur durch eine Kette im Jahr 1650 geht auf den Genfer Uhrmacher Gruet zurück.
- Das Stackfreed nutzt eine zweite Feder, die auf eine Nocke drückt und so die Antriebskraft konstant halten soll.
- Dasselbe Ziel verfolgt die Schnecke. Die nachlassende Spannung der Kette - die zunächst nur ein Schnürchen war - wird dadurch ausgeglichen, dass man den Hebelarm vergrößert und dank der hyperbolischen Form der Schnecke die antreibende Kraft konstant hält. Erinnert Sie das nicht ein wenig an Gangschaltungen beim Fahrrad?
Nebenbei erkennt man auf sämtlichen Zeichnungen Schrauben als Befestigungselemente der einzelnen Teile. In Wahrheit waren die ersten Uhren - im weitesten Sinn - mit Keilen versehen, und erst um 1550 hielten Schrauben Einzug.
Revolution bei den Oszillatoren
Im 17. Jahrhundert verbessert sich die Präzision der Instrumente ganz erheblich: von Abweichungen von 15 Minuten auf nur noch einige Sekunden. Eine solche Genauigkeit veranlasst den Engländer Daniel Quare (1649-1724) schließlich, gegen Ende des Jahrhunderts den Minutenzeiger auf dem Zifferblatt einzuführen.
Ohne in die Fallen der Uhrmachtechnik hineinzutappen, endet unsere Studie über die Entwicklung der Präzision mechanischer Uhren im Grunde dort, wo wir diese „Revolution bei den Oszillatoren“ betrachten.
Alles beginnt 1583, als Galilei, wenn man seinem ersten Biographen Vincenzo Viviani folgt, das Gesetz des Isochronismus des Pendels formuliert, nachdem er in der Kathedrale von Pisa das Schwingen eines Kronleuchters beobachtet hatte: Die Dauer einer Schwingung hängt nur von der Länge des Pendels und nicht von der Amplitude der Bewegung ab.
Galileo Galilei (1564-1642)
Galilei muss man eigentlich nicht mehr vorstellen; wir bemühen uns hier nur um eine Biographie, die nicht gleich mehrere Seiten füllt. Dieser bedeutende Physiker und Astronom wurde in Pisa geboren und machte zahlreiche Entdeckungen in Mechanik und Astronomie.
Er verbesserte das astronomische Fernrohr ganz erheblich, vertrat die Realität der Erdbewegung, erfand ein Thermometer, die hydrostatische Waage und einen Proportionszirkel. Er formulierte die Gesetze des freien Falls. Für unser Thema entscheidend ist seine Entdeckung der Pendelgesetze.
1638 veröffentlicht er seine Pendeltheorie und beauftragt seinen Sohn mit dem Bau einer von ihm entworfenen Pendeluhr mit Gewichten. Leider stirbt dieser Sohn im folgenden Jahr.
Hier sieht man die Zeichnung, die Galileis Sohn nach dem Diktat seines Vaters angefertigt hat und nach der er die Pendeluhr bauen sollte.
Dann betritt Christiaan Huygens (1629-1695) die Bühne.
Christiaan Huygens (1629-1695)
Er wurde in Den Haag geboren und erhielt seine wissenschaftliche Ausbildung anhand der Werke Descartes', eines Freundes seines Vaters. Er war der Erste, der einen Mond des Saturn - Titan - beobachtete, später auch die Rotation des Saturn und seine Ringe. Er veröffentlichte die Regeln des elastischen Stoßes.
Er war Mitglied der Académie des sciences in Paris und der Royal Society in London. Für uns ist entscheidend, dass er die Pendeluhr und die Spiralfeder der Uhren erfand.
Hat er die Arbeiten Galileis fortgesetzt oder parallel eigene Wege beschritten? Wie dem auch sei: 1657 beauftragt er den Uhrmacher Salomon Coster, eine Uhr mit Gewicht und Pendel zu bauen, die rasch den Namen Pendeluhr erhält.
Die Pendeluhr, wie sie in Huygens' Werk Horologium oscillatorium erscheint. Auf dieser Abbildung erkennt man, dass die Hemmung noch immer ein Kronrad ist, was große Schwingungsamplituden des Pendels erzwingt und dem Isochronismus der Bewegung schadet.
Die beiden Blätter dienen dazu, Schwankungen der Schwingungsdauer des Pendels auszugleichen; diese Dauer wird durch ein entlang der Stange verschiebbares Laufgewicht eingestellt. Erst 1671 - mit dem Uhrmacher William Clement - erscheint auf eine Idee Robert Hookes hin die rückführende Ankerhemmung. Sie erlaubt Pendelschwingungen von 4 bis 5° statt der 40° bei Huygens und verwirklicht den Isochronismus sehr viel besser.
Achtzehn Jahre später, 1675, erfindet Huygens die erste Uhr mit Spiralfeder, ausgeführt von Isaac Thuret, einem der besten Uhrmacher von Paris. Das Regulierorgan war eine Unruh - nicht zu verwechseln mit jener der Großuhren -, also ein kleines Metallrad, gekoppelt mit einer feinen, spiralig aufgewickelten Stahlfeder, die auf sie so wirkt wie die Schwerkraft auf ein Pendel.
In den folgenden Jahren und Jahrhunderten bemühten sich Uhrmacher und Erfinder darum, die entstandenen Werke weiter zu verbessern - Hemmungen, Schlagwerke, Aufzugssysteme, Materialqualität, Widerstand gegen Temperaturschwankungen und vieles mehr. Damit verlassen wir jedoch den Rahmen dieser Studie - und übrigens auch jenen meiner eigenen Fachkenntnisse. Für eine vollständige Chronologie der Uhren und Armbanduhren verweise ich Sie daher lieber an die einschlägigen Standardwerke.
Der Quarz - moderner Oszillator
1880 entdecken Pierre und Jacques Curie den piezoelektrischen Effekt: Wenn bestimmte Kristalle - darunter Quarz - mechanisch belastet werden, erscheinen an ihrer Oberfläche elektrische Ladungen.
Man müsste also nur einen Quarzkristall in ein Gehäuse legen, auf ihn schlagen - auf den Quarz, nicht auf das Gehäuse - und die elektrischen Ladungen abgreifen, und schon wäre alles erledigt ... Moment, ich habe mich geirrt. Damit bauen wir gerade ein Feuerzeug, aber keine Uhr. Wir haben soeben den direkten piezoelektrischen Effekt genutzt.
Erst G. Lippmann weist den umgekehrten piezoelektrischen Effekt nach: Kristalle verformen sich, wenn man sie einem elektrischen Feld aussetzt. Wird dieser „Anreiz“ dauerhaft auf den Quarz angewandt, beginnt er mit einer sehr stabilen, ihm eigenen Frequenz zu schwingen - und diese hängt von seiner Größe, in beiden Bedeutungen des Wortes, ab. Man muss nur noch die Schwingungen zählen und sie in die gewünschte Zeiteinheit - etwa die Sekunde - umwandeln. Der Quarzresonator ist geboren.
Bei Uhren und Armbanduhren liegt die Frequenz im Allgemeinen bei 32 768 Hz. Ein integrierter Schaltkreis halbiert diese Frequenz 15-mal hintereinander, und schon haben wir unsere Sekunde.
Die Genauigkeit eines solchen Oszillators beträgt 1/1000 Sekunde in 24 Stunden. Das ist doch deutlich besser als unser Foliot vom Anfang, oder?
Die ersten Quarzuhren entstanden 1929-1930, und ihre Größe stand den ersten Turmuhren in nichts nach. Die erste Quarzarmbanduhr mit Zeigern erschien 1967, und die Digitaluhr kam 1971 auf den Markt.
Wenn Sie in Ihrer Uhr nach dem Quarz suchen, werden Sie dort nichts finden, was dem linken Bild ähnelt, sondern eher etwas, das wie das rechte aussieht. Sie müssen also nur noch das Gehäuse öffnen, um das Quarzplättchen zu finden. Danach garantiere ich allerdings nicht mehr für ein besonders gutes Funktionieren der Uhr ...
Atomuhren
Mit den Atomuhren gelangen wir in einen Bereich extremer Präzision - ungefähr eine Sekunde in 3000 Jahren.
Natürlich sind diese Uhren nicht dafür bestimmt, bei uns auf dem Kaminsims zu landen. Sie dienen hochpräzisen Messungen, von denen eine darin besteht, die TAI - die Internationale Atomzeit - zu liefern, von der wir in unserer Studie zu den Zeitskalen bereits gesprochen haben.
Auf die Einzelheiten ihrer Funktionsweise gehen wir hier nicht ein. Es genügt zu wissen, dass diesmal das Atom selbst als Oszillator dient, weil seine Frequenz - genauer gesagt sein Zustandswechsel - noch präziser ist als die des Quarzes. Es gibt auch andere, aber das Cäsium-Atom - unter Freunden einfach Cs - scheint sich besonders willig für diese Rolle zu eignen.
Schlussbemerkung
Erinnern Sie sich an das Bild der Temperantia, wie Ambrogio Lorenzetti sie 1338 darstellte?
Im 15. Jahrhundert wird sie in einem Manuskript, das heute in der Sächsischen Landesbibliothek Dresden aufbewahrt wird, so dargestellt.
Wie müsste man sie im Zeitalter der Atomuhren darstellen?
