Physics

Zeit-die vierte Dimension

Die perfekte Uhr

"Die perfekte Uhr verliert noch gewinnt sie Zeit!"

Die Unmöglichkeit den Längengrad genau zu messen, hatte schon seit Jahrhunderten viele Schiffe und Menschenleben gefordert, so daß die Angst bei jeder Schiffsreise mitfuhr. Auf den Irrfahrten starben die Menschen normalerweise an Skorbut oder Durst, wenn das Schiff nicht zufällig sein Ziel fand. Oft gingen ganze Geschwader unter, wenn sie auf Felsen aufliefen, weil die Kapitäne geglaubt hatten, sie befänden sich ganz woanders.

Prinzipiell war die Lösung des Problems bekannt. Zum Glück dreht sich die Erde wie eine Uhr mit konstanter Geschwindigkeit um ihre Achse. Man müßte folglich nur eine genaue Schiffsuhr bauen, die synchron mit der in Greenwich liefe. Mittags, wenn die Sonne am höchsten stände, wäre folglich die lokale Zeit 12:00 Uhr. Über die Differenz zu der Zeit in Greenwich ließe sich so der Längengrad berechnen. Führe man mit dem Schiff auf dem Äquator entlang, wo der Unterschied am größten ist, entspräche 1 Stunde 15 Grad Länge, und damit tausend Meilen. Nur, das Bauen einer solchen Uhr hielt niemand für möglich. Zu groß schienen die vielen Widrigkeiten an Bord eines Schiffes, das ständige Auf und Ab, Ruckeln und Schlingern, große Temperaturunterschiede, die das Material und das Schmieröl einer Uhr veränderten. Zusätzlich beeinflussen die Höhenunterschiede auf einer Reise den Wert für die Erdbeschleunigung und beeinträchtigen so die Genauigkeit einer Pendeluhr.

Christiaan Huygens hatte 1656 die erste Pendeluhr, dessen ursprüngliche Idee auf Galilei zurückging, vorgestellt. Später baute er in seine Uhr eine Spiralfeder ein, weil diese auf einem Schiff eine wesentlich höhere Ganggenauigkeit zeigte. Um die Patentrechte solch einer Uhr stritt er sich mit dem Forscher und Erfinder Robert Hooke. Trotzdem, insgesamt war die Spiralfeder-Uhr zu ungenau. Galilei hatte eine Methode gefunden, wie sich zumindest an Land der genaue Längengrad über die Beobachtung der Jupitermonde, nach denen man eine Uhr stellen könne, bestimmen ließe.

 

Bild: Das klassische Pendel

Als die Astronomen Ludwig XIV eine revidierte Landkarte von Frankreich vorgelegt hatten, beklagte sich der Sonnenkönig, er habe an die Astronomen mehr Land verloren als an seine Feinde. Das Interesse für die Jupitermonde wurde immer größer und Ole Römer entdeckte schließlich, daß die Verfinsterungen der Jupitermonde in Abhängigkeit der Erdentfernung verzögert erschienen. Dafür gab es nur eine Erklärung:

Die Geschwindigkeit von Licht ist endlich.

Bisher hatte selbst Newton geglaubt, seine bunten Korpuskel seien unendlich schnell, und diese neue Entdeckung rüttelte gewaltig am alten Weltbild. Ole Römer berechnete die Geschwindigkeit mit 75% Genauigkeit.

Für den Präsidenten der Royal Society und andere hochmütige königliche Astronomen war die Sache klar. Die Lösung müsse in den Sternen liegen. Über die Mechanik des Himmels, die wie ein Uhrwerk arbeitete, müsse sich der Längengrad irgendwie bestimmen lassen.

Newton forderte John Flamsteed, Gründer und erster Direktor der königlichen Sternwarte, auf, die in vierzigjähriger akribischer Arbeit gesammelten Himmelsdaten herauszugeben. Als dieser sich schlichtweg weigerte, weil er seine Daten für zu vage hielt und sich damit nur hätte schaden können, ernannte sich Newton, der eine Weigerung nicht duldete, kurzerhand selbst zum Vorstand der königlichen Sternwarte und kam schließlich mit Flamsteeds Todfeind Halley unrechtmäßig in den Besitz der Unterlagen, die Flamsteed in Greenwich unter Verschluß gehalten hatte. Kurze Zeit später wurden Flamsteeds Unterlagen gegen seinen Willen veröffentlicht.

Das seefahrende Volk wurde zunehmendst ungeduldig. Durch eine Petition von Kaufleuten und Seefahrern gedrängt, setzte die Regierung von England 1714 gemäß einer Empfehlung des mittlerweile 72jährigen Isaac Newton, der die Lösung des Längengradproblems nicht mehr erleben sollte, ein Preisgeld aus:

£ 20.000 für eine Methode, über die sich die geographische Länge auf 0,5 Grad genau bestimmen läßt.

Derjenige, der eine Methode fand, den Längengrad auf 2/3 Grad genau zu bestimmen sollte mit 15.000 Pfund Sterling und bei einer Genauigkeit von einem Grad mit 10.000 Pfund Sterling belohnt werden. Eine astronomische Summe für die damalige Zeit. Jedoch, eine Uhr dürfte in 24 Stunden nicht mehr als 3 Sekunden vor- oder nachgehen. Dies entspräche einer täglichen Unschärfe von weniger als 0,01%.

Unvorstellbar!

John Harrison war eigentlich ein geschickter schottischer Tischler wie sein Vater, der als Junge die Kirchturmglocken stimmte und läutete. Ein Pfarrer gab dem wissensdurstigen Jungen aus armen Verhältnissen ein kostbares Lehrbuch über naturphilosophische Vorlesungen an der Universität Cambridge. Der Junge schrieb fein säuberlich alles ab und versah seine Seiten mit immer neuen Überlegungen und Anmerkungen.

Niemand weiß, warum Harrison im Alter von 20 Jahren seine erste Uhr baute. Es war eine getischlerte Uhr aus Holz. Fast 10 Jahre später, als der Tischler in der Gegend mittlerweile als Uhrmacher bekannt war, erhielt er den Auftrag eine Turmuhr zu tischlern. Die Turmuhr von Brocklesby Park ist völlig wartungsfrei und tickt munter seit 270 Jahren vor sich hin. Harrison verwand für sich reibende Teile tropisches Holz, das selbst Fett ausscheidet und deshalb nicht geschmiert werden muß. Bei jedem Teil seiner Uhr überlegte sich Harrison, welche Holzart wohl am besten geeignet sei. Selbst bei Holz der gleichen Art machte er feine Unterschiede. Kam es ihm auf Härte an, wählte er schnell wachsende Eiche aus. Hielt er Haltbarkeit für wichtig, bevorzugte er langsam heranwachsendes Holz, des gleichen Baumes.

Die nächsten Uhren, die mit 2 Neuerungen ausgestattet waren, das "Rost-Pendel" und die "Grasshopper-Hemmung", baute Harrison mit seinem kleineren Bruder. Harrisons Uhr ging nicht mehr als 1 Sekunde falsch im Monat in einer Zeit als die teuersten Uhren eine Gangungenauigkeit von 1 Minute pro Monat aufwiesen.

Als Harrison von dem Preisgeld erfuhr, hatte sich sein Geist schon intensiv mit der Problematik, genaue Uhren zu bauen, auseinandergesetzt.

Harrison dachte wie eine Uhr.

Er konnte jede Temperaturänderung, jedes Ruckeln und jede Abnutzung spüren, und er würde etwas dagegen unternehmen. Er würde eine Uhr bauen, die der rauhen Umgebung eines Schiffes auf hoher See trotzte und nebenbei reich und berühmt werden. Harrison wußte, daß eine Pendeluhr für diese schwierige Aufgabe nicht geeignet war. Er müßte sich etwas Neues ausdenken.

Eine pendellose Uhr.

Bild: Uhrwerk

Der Uhrmacher reiste nach London zur Längengrad-Kommission, die noch nie zusammengetreten war. Die Vorschläge waren alle so absurd und abwegig gewesen, daß kein Mitglied eine Versammlung in Erwägung gezogen hatte. Aber Harrison hatte Glück. Dr. Halley, ein Mitglied der Kommission, empfing ihn sehr freundlich und riet ihm zu dem bekannten Uhrmacher George Graham zu gehen. Graham könne Harrisons Idee sicher beurteilen.

Harrison war sich der Gefahr, seine Idee einem Spezialisten zu zeigen, bewußt. Doch Graham war ehrlich. Harrison bekam ein Darlehen und fuhr nach Hause. Fünf Jahre sollten vergehen bis Harrisons Uhr, die H'1,fertig wurde. Auf einer Schiffsüberfahrt 1736 nach Lissabon sollte Harrison die Genauigkeit seiner Uhr beweisen. Und obwohl Harrisons Magen mit dem Auf und Ab des Schiffes bei weitem nicht so gut zurecht kam, wie seine Uhr, konnte er die Position des Schiffes besser bestimmen als der erstaunte Kapitän Wills.

Bild: Die Harrison 1 war ein Wunder an Ganggenauigkeit zur damaligen Zeit.

Doch Harrison war noch nicht zufrieden. Als der Perfektionist vor der Kommission, die nach 23jährigen Bestehen zum erstenmal zusammentrat, seine Schiffsuhr präsentierte, war er der einzige, der Kritik an dem Wunderwerk übte. Er bat um noch weitere 2 Jahre Zeit und etwas Geld, bis er seine Uhr auf der Überfahrt zu den Westindischen Inseln erproben wollte.

Erwartungsgemäß war Harrison auch mit seiner zweiten Uhr, ein Meisterwerk und einzigartig in Robustheit und Ganggenauigkeit, unzufrieden. So widmete er sich die nächsten zwanzig Jahre der H'3.

Die Astronomen verbesserten in der Zwischenzeit die Methode zur Bestimmung des Längengrades über die Beobachtung des Mondes. Halley kam nach Prüfung der Daten zum Schluß, der Mond umkreise die Erde im Laufe der Zeit immer schneller. Doch in Wirklichkeit ist es die Erde, die immer langsamer wird. Relativ gesehen , hatte Halley natürlich recht. Halley sagte die Rückkehr des Kometen, der seinen Namen berühmt gemacht hat, voraus. Jedoch, als Halley starb, starb auch der Protegé für den Tischler, der aus Holz hochgenaue Uhren baute.

Startseite mit Gesamtübersicht

Bild: Der Mond umkreist die Erde in festen Zeiten.

Halleys Nachfolger Bradley und Bradleys Freund, Reverent Maskelyne waren angesehene Astromen mit viel Einfluß und beanspruchten den Ruhm und das Geld für sich. Das Rennen spitzte sich zu.

Die Harrisons mussten sich beeilen. Die H'3, 60 mal 30 cm groß verwendet zur Temperaturkompensation einen Bimetallstreifen, wie er noch heute in Thermostaten zu finden ist. Der Bimetallstreifen bedeutete die konsequenten Weiterentwicklung des Rostpendels. Zur Verminderung der Reibung erfand Harrison eine Art Kugellager.

Obwohl Harrison bisher nicht daran geglaubt hatte, eine kleinere Uhr könne an die Genauigkeit der H'3 herankommen, änderte der Zufall plötzlich seine Meinung. Ein befreundeter Uhrmacher hatte Harrison auf seine Anweisung eine Taschenuhr gebaut, die Temperaturschwankungen ausglich und deshalb sehr genau arbeitete.

Harrison setzte alles auf eine Karte. Wie ein Kaninchen aus dem Zylinder hatte er sie gezaubert. Sein Sohn William, der ihm über die Jahre beiseite gestanden hatte, nahm die H'4 Taschenuhr, ganze 12 cm groß und fast 1,5 Pfund schwer auf die Schiffahrt nach Jamaika. 1762, nach 81 Tagen auf schwerer See ging sie nur um fünf Sekunden falsch. William hatte sie während der Reise nicht aus den Augen gelassen und vor dem Wasser, das einige Zentimeter hoch in der Kapitänskabine stand, geschützt.

Doch die Kommission wollte Harrison nicht auszahlen. Die Ganggenauigkeit war vielleicht reiner Zufall gewesen. Eine zweite Fahrt nach Jamaika sollte die Uhr erneut prüfen. Das verschaffte Bradley und Maskelyne Zeit. Doch was, wenn Harrison in der Zwischenzeit verstürbe und sein Sohn mit der Uhr unterginge?

Es war klar, Harrison müsse die Uhr der Kommission in allen Einzelheiten erklären. Maskelyne war in der Zwischenzeit unerwartet königlicher Astronom geworden und setzte nun als Mitglied der Längengrad-Kommission Harrison unter Druck. Harrison solle eine zweite H'4 bauen, um zu beweisen, daß die Uhr zu replizieren sei. Währenddessen propagierte der Reverent weiterhin die Bestimmung des Längegrades über die astronomische Methode. Schließlich stehe der Himmel jedem offen und die Seeleute wären leicht in der Lage die Berechnungen unter zur Hilfenahme der angefertigten Mondtafeln durchzuführen.

Schließlich änderte die Kommission die Regeln für das Preisgeld. Harrison wurde namentlich erwähnt und gezwungen, sein ganzes Wissen schriftlich einzureichen, bevor das Preisgeld ausgegeben werden könne. Der Handwerker wurde hitzig wegen der Schikane und rannte wutentbrannt wohl aus mehr als einer Sitzung.

1766, als Harrison etwa so alt gewesen war wie Newton, als der die Empfehlung für das Längengrad-Problem verfaßte, erklärte sich Harrison bereit, seine Uhr gegen die Hälfte des Preisgeldes einer Expertengruppe der Kommission zu erklären.

Unter den Experten waren interessierte Uhrmacher, die Schiffsuhren bauen wollten. Seine kostbare Uhr wurde bei der Gelegenheit konfisziert. Damit nicht genug. Noch im selben Jahr sollte sein Lebenswerk dem Erzfeind Maskelyne übergeben werden. In der königlichen Sternwarte sollte Harrisons Uhr mit der großen Regulatoruhr der Sternwarte verglichen werden. Aber auch das war nicht genug. Wieder erschien Maskelyne bei Harrison. Dieses Mal wollte er auch alle anderen Uhren von Harrison. Beim Hinaustragen wurde seine erste Uhr aus Versehen fallen gelassen.

Harrison brach es das Herz.

Maskelyns Bericht über die Genauigkeit der H'4 in der Sternwarte war niederschmetternd. Die Uhr ging mehrere Minuten falsch im Monat. Großzügigerweise räumte der Mann der Kirche ein, daß Harrisons Erfindung nützlich sei und in Verbindung mit seiner astronomischen Methode, die ihre Tücken hatte, wahrscheinlich sogar zu gebrauchen.

Harrison ging zum Angriff über. Auf eigene Kosten veröffentlichte er eine 6 Penny-Broschüre, in der er die Weise, wie seine Uhr geprüft worden war, beschrieb, kritisierte die falsche Handhabung und verlangte seine Uhr zurück.

Die Kommission entschied ein anderer Uhrmacher, Larcum Kendall, solle die H'4 nachbauen. Harrison stimmte zu.

Kendalls Uhr K'1, war nach 2,5 jähriger Arbeit eine perfekte Kopie der H'4. Harrisons Sohn William lobte das Werk, und es war Kendalls Uhr, die schließlich auf die Reise geschickt werden solle, um die Genauigkeit einer Uhr auf hoher See zu erproben. Kapitän James Cook nahm sie und William mit auf seine Reise, die den endgültigen Beweis für die Genauigkeit von Harrisons Uhr bringen sollte.

Für Cook, der seinen Männern Sauerkraut verordnet hatte, damit sie ihm nicht an Skorbut wegstarben, war es klar. Die Uhr ermöglichte eine präzise Navigation auf hoher See. Viel besser als jede andere Methode, die er kannte.

Aber auch Harrison, mittlerweile geplagt von Gicht und schlechten Augen, stellte notgedrungen eine weiter Kopie der H'4 fertig. Jetzt faßte der 79jährige einen kühnen Entschluß. Er wandte sich an seine Majestät Georg III, der Harrison kannte. Georg III hatte das Rennen um das Preisgeld verfolgt und wußte Bescheid. Als Georg III den ergreifenden Brief, den William geschrieben hatte, gelesen hatte, soll er gesagt haben:

"Bei Gott, Harrison, ich werde dafür sorgen, daß Ihr zu Eurem Recht kommt!"

Von nun an stand Harrison unter dem Schutz des Königs. Harrisons neue Uhr wurde gestestet und das Ergebnis war erstaunlich. Die H'5 verlor nicht mehr als 1/3 Sekunde pro Tag. Nachdem Harrison für sein Lebenswerk die zweite Hälfte des Preisgeldes bekommen hatte, wurden die Bestimmungen für das Preisgeld drastisch verschärft. Kein Mechaniker sollte es ein zweites Mal schaffen, das Preisgeld einzufordern.

4 Jahrhunderte hatte die Suche nach einer Lösung des Längengradproblems gedauert und ganz Europa erfaßt. Ein auto-didaktischer Uhrenmacher, der den Titel königlicher Ingenieur verdient hätte und an dem Tag starb, an dem er geboren war, hatte sich das Preisgeld verdient und die damalige Wissenschafts-Elite blamiert. 300 Jahre zuvor, wäre der Tischler für seine Zauberkiste, die ohne mathematische Vorkenntnisse über eine einfache Zeitmessung, die hochgenaue Navigation auf See ermöglichte und den königlichen Astronomen weit überlegen war, der Hexerei angeklagt worden. Der Einfallsreichtum und das Geschick eines hochbegabten Mannes war der entscheidende Schritt für England zur Weltseemacht gewesen.

1737 war eine genaue Uhr weltweit ein Einzelstück gewesen. 1815 sollte es schon 5000 davon geben. Viel einfacher in ihrer Art, und auch nicht so genau, aber ausreichend praktikabel. Tüchtige Kaufmänner und Uhrmacher hatten den Wert einer genauen Uhr für die Kapitäne der Meere erkannt und versuchten sie in möglichst großer Zahl zu fertigen.

Noch vor hundert Jahren nahm man es im normalen Leben nicht so genau mit der Zeit. Man dachte in Stunden, nicht in Sekunden. Das lag natürlich auch an der Unmöglichkeit für jedermann genaue Uhren zu bauen. Mit der Entwicklung der Quarzuhr 1929 änderte sich das drastisch. Immer genauer konnte man Uhren aufeinander abstimmen. Heute ärgert man sich über Zugverspätungen im Minutenbereich. Viele besitzen eine genaue Funkuhr, die sich ständig mit der Atomuhr in Braunschweig synchronisiert.

Display Greenwich Mean Time

Fazit
Der Physiker versteht unter Zeit, die Dauer eines physikalischen Vorganges und nicht Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft!



© 2004 Ralf Steffler. All Rights Reserved.
 The World of modern Physics

... shows You the World of modern Physics