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Wie wird Zeit gemessen?

Gliederung
1. Was ist Zeit?
2. Geschichte
3. Wie wird sie gemessen?
4. Uhren
4.1. Sonnenuhren
4.2. Sanduhren
4.3. Quarzuhren
4.4. Atomuhren
5. Quellen

1. Was ist Zeit?
Zeit ist eine physikalische Größe deren Formelzeichen t ist und die Einheit Sekunde s hat. In der Alltagssprache wird der Begriff Zeit in zwei verschiedenen Bedeutungen verwendet. Zum einen bezeichnet Zeit einen Termin oder Zeitpunkt, zu dem ein Ereignis eintritt, zum anderen bezeichnet Zeit die Dauer von Vorgängen. Ob mit Zeit ein Zeitpunkt oder eine Dauer gemeint ist, geht fast immer aus dem Zusammenhang hervor. Auch in der Physik wird der Begriff Zeit benutzt um entweder den Zeitpunkt eines Ereignisses zu bestimmen oder um die Dauer eines Vorganges zu bezeichnen. Im ersten Fall spricht man auch von einer Zeitkoordinate. Ein Ereignis kann eindeutig bestimmt werden, indem seine Position im Raum und der Zeitpunkt seines Eintreffens angegeben werden. Der Zahlenwert des Zeitpunktes hängt zum einen davon ab, auf welchen Nullpunkt sich die Zeitangabe bezieht, und zum anderen davon, welche Zeiteinheit benutzt wird. So bezeichnet die Zeitangabe 18 Uhr, ein Ereignis, dass 18 Stunden nach Mitternacht eintrifft, während der Zeitangabe 29. November Tage und Monate als Zeiteinheiten und die Jahreswende als Nullpunkt verwendet. Wenn in der Technik und Naturwissenschaft genaue Angaben von Zeitpunkten benötigt werden, dann wird meist die koordinierte Weltzeitskala (UTC) verwendet. Diese Skala wird der Erdrotation angepasst. Es ist deshalb nicht so einfach, den Nullpunkt und die Einheit anzugeben. Einfacher ist die Definition der internationalen Zeit. Sie gibt die Zeit in Sekunden an, die seit dem 1. Januar 1958, 0:00 Uhr vergangen sind. Wegen der relativistischen Zeitdilatation muss die Sekunde hierbei auf einem bestimmten Ort im Raum bezogen werden. Man hat sich dabei für die Sekunde auf Höhe des mittleren Meeresspiegels geeinigt. Genaue Werte für die Zeitskalen UTC und TAI können überall auf der Erde von den GPS-Navigationssatelliten bezogen werden. Da die TAI auf die Erde bezogen ist, unterliegt sie natürlich keiner Relativität. Sie ist eine absolute Zeitskala. Viel öfter wird der Begriff Zeit in der Bedeutung Dauer verwendet. Hier ist die Zeit gemeint, die zwischen zwei Ereignissen vergeht und von Uhren gemessen werden kann. Im Sport interessiert man sich zum Beispiel für die Bestzeiten, in denen die Sportler Strecken zurücklegen. In der Physik interessiert man sich für die Zeitabläufe physikalischer Prozesse und Vorgänge. Um die Zeit zu messen verwendet man dabei Vorgänge, die möglichst gleichmäßig ablaufen und wenig von der Umwelt beeinflusst werden. Früher hat man dazu Pendeluhren oder Sanduhren verwendet. Für größere Genauigkeiten und geringere Beeinflussbarkeit eignen sich dagegen eher Quarzuhren und die modernen Atomuhren. Die Definition des Begriffes Zeit ist vor allem deshalb sinnvoll, weil es viele physikalische Prozesse gibt, die sehr gleichmäßig ablaufen. Die physikalische Definition der Zeit macht es so möglich, Vorgänge exakt zu vermessen und vorauszusagen. Als Maß für die Zeit verwendet man in der Physik die SI-Sekunde, die sich an der Resonanzfrequenz des Cäsium-Atoms orientiert. Im Alltag orientiert man sich dagegen eher an die Rotation der Erde um ihre eigene Achse (Tag und Stunden) und um die Sonne (Jahr und Jahreszeiten).Atomuhren sind ausreichend genau um den Einfluss der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie zu messen. Die Zeit vergeht nicht für alle Objekte gleich schnell. Schnell bewegte Objekte und solche, die sich in einem Schwerkraftfeld aufhalten, altern langsamer als ruhende Objekte außerhalb eines Schwerkraftfeldes. Der Einfluss der Geschwindigkeit auf die Zeit kann mit hoher Genauigkeit an relativistisch bewegten Atomen nachgewiesen werden. Der Einfluss des Schwerkraftfeldes begegnet uns bei der Zeitgenauigkeit von GPS Satelliten.

2. Geschichte
Grundlage für ihre Erfassung war die Astronomie oder Himmelkunde. Bereits im 5. Jahrtausend vor der abendländischen Zeitrechnung begannen ägyptische Gelehrte, sich mit der Schaffung eines Kalenders zu beschäftigen. Der Beginn der Maya-Zeitrechnung wird in das 4. Jahrtausend v.d.Z. datiert. Ungefähr 3000 Jahre vor Christi Geburt wurde weitestgehend unabhängig voneinander der Himmel über Babylonien, Ägypten, Indien und China systematisch beobachtet. Cheops, ägyptischer König der 4. Dynastie, ließ sein Grabmal an den Himmelsrichtungen orientiert bauen. Bei Ausgrabungen in Troja wurde in der ältesten Schicht, die auf 2850 v. Chr. datiert wird, ein in einen Urnendeckel eingemeißelter Sonne-Mond-Kalender entdeckt, die Babylonier teilten die Sonnenbahn 1200 v. Chr. in Tierkreisbilder ein. Im 8 Jhd. v. Chr. hatten die Astromomen eine derart hohe Sicherheit in der Bestimmung der Bewegung der Himmelskörper erreicht, dass sich der assyrische König Assurbanipal inspiriert sah, die berühmte Tontafelbibliothek in Ninive zu gründen, in der das zeitgenössische Wissen über Himmelskunde konserviert wurde. Das Wissen war derart präzise, dass angeblich Thales von Milet 585 v. Chr. eine Sonnenfinsternis im Abendland als erster vorhersagen konnte. Sonnenuhren mit Schattenstab und Skalen bereits im 3. Jahrtausend v. Chr. in Gebrauch, auch wenn es erst im 3. Jahrhundert v. Chr. gelang, das Problem der Konstruktion entsprechend der geografischen Breite zu lösen. Das mittelalterliche Europa wurde im Blick auf das "Phänomen Zeit" zunächst von religiösen Einrichtungen geprägt. Das metaphysische Fundament für die christliche Verwaltung der Zeit lieferte der heilige Augustinus im 4. Jhd.. Für Augustinus beginnt die Geschichte der Zeit mit der Schöpfungsgeschichte - und da es vor der Schöpfung nichts gab, was sich hätte bewegen können, gab es vor der Schöpfung auch keine Zeit. Aus diesem Grund begriff er die Zeit als ein eindimensionales Kontinuum, das einen festen Anfang - die Schöpfungsgeschichte - und ein bestimmtes Ziel hat: den Jüngsten Tag am Ende der Welt. Hieraus ließ sich für die folgenden Generationen hervorragend eine quantitative Messung der Zeit ableiten: in der Form, dass man die Dauer einer Bewegung mit der Dauer einer anderen verglich, oder, mit anderen Worten - relativ und nicht absolut. Die religiöse Prägung der Zeit im frühen Mittelalter ging neben der Kirche vor allem von Klöstern aus, da diese aufgrund ihrer starken Disziplin und Regelhaftigkeit eine gut durchdachte "zeitliche Haushaltspolitik" benötigten. Die Klöster hatten ihr eigenes Zeitsystem, die sogenannten Kolonialstunden, welche die Zeiten für das Chorgebet regelten. Der Beginn der Neuzeit lässt sich ebenso wenig exakt datieren wie die Erfindung der Räderuhr. Der Beginn der Neuzeit ist ein epochaler Prozess, welcher durch fundamentale Änderungen in Wissenschaft, Technik, Religion, kurz: in vielen unabhängigen Lebensreichen charakterisiert ist. Mit Blick auf die Technik können wir die Neuzeit mit der Erfindung der Räderuhr beginnen lassen, mit Blick auf herausragende Ereignisse mit der Entdeckung Amerikas 1492 durch Christof Kolumbus, mit Blick auf die Religion mit dem Werk Martin Luthers, mit Blick auf die Wissenschaft mit Namen, die uni sono im 16. und 17. Jht. an der naturwissenschaftlichen Revolution bastelten: Kopernikus, Galilei, Keppler, Descartes, Newton.

3. Wie wird sie gemessen?
Die Messung der Dauer zweier zeitlich getrennter Ereignisse; im Altertum durch die aus einem Behälter ausgelaufene Menge von Flüssigkeit oder Sand (Sanduhr), heute durchweg durch periodische Vorgänge, deren Frequenz sich nicht ändert (z. B. Pendel-, Quarz-, neuerdings auch Atomuhren). In der Wissenschaft wird der Zeitmessung als Zeiteinheit die Umdrehungszeit der Erde um ihre Achse in Bezug auf ein von Kräften unbeeinflusstes räumliches System (Inertialsystem) zugrunde gelegt und als "siderischer Tag" bezeichnet; aus ihm lassen sich die praktischen Zeiteinheiten (Sterntag und mittlerer Sonnentag) ableiten. Doch ist der Tag kein absolut konstantes Zeitmaß, sondern schwankt. Ein Zeitmaß, aus dem diese Ungleichförmigkeiten eliminiert sind, wird als Newton'sche Zeit oder Inertialzeit bezeichnet (da nur für die mit einer solchen Zeit berechneten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen der Himmelskörper das Newton'sche Gravitationsgesetz streng gilt).

4. Uhren
4.1. Sonnenuhren
Schon die Ägypter, Griechen und Römer benutzten Sonnenuhren, um den Tag in kleinere Zeiteinheiten zu unterteilen. Sie sind die ältesten und bedeutendsten Zeitmesser vor der Erfindung der mechanischen Uhr. Im 16. Jahrhundert erreichte der Bau von Sonnenuhren einen Höhepunkt. Sonnenuhren wurden hauptsächlich in den Werkstätten der Kompassmacher hergestellt, da man für bewegliche Reise- und Tisch-Sonnenuhren ja zusätzlich einen Kompass benötigt. Diese Sonnenuhren waren unentbehrlich, um die mechanischen Uhren auf die richtige Zeit einzustellen. Bei einer Sonnenuhr wird mit Hilfe der Sonne und des Schattens eines "Zeigers" die Zeit bestimmt. Der tägliche Lauf der Sonne bewirkt, dass sich Länge und Position des Schattens ändern und damit die Zeit angezeigt wird. Natürlich funktioniert das nur bei Sonnenschein. Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal um sich selbst. Diese Drehung entspricht 360°. Damit bewegt sich die Sonne um 15° pro Stunde weiter (360:24=15°). Da die Erdachse gegenüber der Bahn um die Sonne geneigt ist, muss der Schattenwerfer (=Zeiger) zur Erdachse geneigt sein. Dies bedeutet, dass der Schattenwerfer im Winkel der geographischen Breite des jeweiligen Standorts gegenüber der Horizontale geneigt sein muss. Zusätzlich muss er in der Nord-Süd-Ebene liegen. Vor der Einführung der Zeitzonen im Jahr 1893 wurde der Sonnenhöchststand am jeweiligen Ort als Bezugszeit verwendet, der sogenannte "wahre Mittag". Dadurch hatte jeder Ort seine eigene Zeit. Durch die Verbreitung der Eisenbahn war eine Vereinheitlichung der Zeit erforderlich. Damals wurde die "mitteleuropäische Zeit" so festgelegt, dass sie der "mittleren Sonnenzeit" auf dem 15. Längengrad entspricht (Sternwarte Görlitz). Je weiter ein Ort westlich vom 15. Längengrad entfernt liegt, umso später erreicht dort die Sonne ihren Höchststand. Der 0. Längengrad (Meridian) geht übrigens durch Greenwich(England). Die dortige mittlere Sonnenzeit heißt entsprechend Greenwich-Zeit. Bei Sonnenuhren bewegt sich der Schatten je nach Datum mit unterschiedlicher Geschwindigkeit über das Zifferblatt. Dadurch kann je nach Jahreszeit eine Abweichung von bis zu +/- 16 Minuten gegenüber der mitteleuropäischen Zeit (MEZ) entstehen.

4.2. Sanduhren
Die Sanduhr ist ein seit Ende des 13. oder Anfang des 14. Jahrhunderts bekanntes Messgerät zur Messung der Zeit. Sie besteht aus zwei durch ein dünnes Röhrchen miteinander verbundenen Glaskolben. Einer der beiden Kolben ist mit sehr feinem trockenen Sand gefüllt. Die Wahl des richtigen Sandes ist eine Kunst gerne werden metallhaltige Stäube verwendet. Die beiden verbundenen Kolben sind in eine Halterung eingebracht mit denen man sie so auf eine waagrechte Unterlage stellen kann dass sich die beiden Kolben genau senkrecht übereinander befinden. Wird nun der sandgefüllte Kolben nach oben platziert beginnt der Sand durch die enge Verbindungsstelle schwerkraftbedingt von oben nach unten zu rieseln. Die Menge des eingefüllten Sandes ist so festgelegt dass die Dauer des Durchrieselns von oben nach unten einem festen definierten Zeitraum entspricht beispielsweise 1 Stunde: Stundenglas 5 Minuten: Eieruhr . Es gibt darüber hinaus auch alte Sanduhren für Ärzte zum Pulsmessen die etwas den Füllfederhaltern ähnelten: sie laufen für 15 Sekunden. Für Kinder gibt es Sanduhren deren Zeit sie sich die Zähne putzen sollen (ca. 2 Minuten). In den 80er Jahren kamen Telefontaktsanduhren auf den Markt um sich an den im Ortstarif eingeführten Takt (8 Minuten) gewöhnen zu können. Für Saunas gibt es Saunasanduhren (15 Minuten). Eng verwandt mit der Sanduhr ist die schon aus dem antiken Ägypten bekannte Wasseruhr. Bei dieser konnte man am Wasserspiegel in einem Gefäß an dessen Boden sich ein kleines Loch befand die Uhrzeit ablesen.

4.3 Quarzuhren
Bereits im Jahr 1928 machten die beiden deutschen Physiker Adolf Scheibe und Udo Adelsberger Versuche, die Schwingungen eines Quarzes als Zeitgeber zu nutzen. Wenige Jahre später konstruierten sie die ersten Quarzuhren. Da die Mikroelektronik zu diesem Zeitpunkt noch nicht existierte, waren die Uhren so groß wie Kleiderschränke. Die technische Grundlage entdeckten jedoch 1880 die Brüder Pierre und Paul Curie aus Frankreich. Der sogenannte piezoelektrische Effekt (griechisch piezein = drücken, pressen) beschreibt die Reaktion bestimmter Kristalle wie Quarz oder Turmalin. Bei diesen speziellen Kristallen führt das Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Verformung des Kristalls (Schwingung). Umgekehrt führt eine erzwungene Verformung zu einer Spannung im Kristall. Dieser Effekt wird bei Mikrofonen, Lautsprechern und elektrischen Feuerzeugen (Piezozünder) genutzt. Quarzuhren benötigen elektrische Energie, die sie über eine Batterie oder eine Photovoltaik-Anlage (Solarzelle) erhalten. Der Quarzkristall wird durch Anlegen einer Spannung in Schwingungen versetzt. Die Schwingungsfrequenz liegt bei 32768 Hertz (Schwingungen pro Sekunde). Diese wird in der Quarzuhr durch eine elektronische Schaltung auf eine Schwingung pro Sekunde reduziert. Ein Mal pro Sekunde erzeugt der Quarz einen Impuls, der eine LED-Anzeige oder einen Schrittschaltmotor steuert. Der Schrittschaltmotor entspricht dabei dem eines analogen Zeigerwerks in einer mechanischen Uhr. Dieser Motor treibt den Sekundenzeiger an, der mechanisch mit den anderen Zeigern verbunden ist. Quarzuhren sind wesentlich genauer als mechanische Uhren. Die Abweichung einer mechanischen Uhr kann bei vier bis sechs Sekunden pro Tag liegen, eine Quarzuhr hat in der Regel nur eine Abweichung von einer Sekunde pro Woche. Ein Quarzuhr mit digitaler Anzeige hat noch einen weiteren Vorteil: Aufgrund der fehlenden Mechanik ist sie resistenter gegen Beschädigungen.

4.4. Atomuhren
Eine Atomuhr ist eine Uhr deren Zeittakt (meist ein Mikrowellensignal) mit atomaren Schwingungszuständen abgeglichen wird. Da die Frequenz solcher Schwingungen konstant ist und sehr genau bestimmt werden kann sind Atomuhren die bislang genauesten gebauten Uhren. Aus den Messwerten von über 260 Atomuhren von über 60 weltweit verteilten Instituten legt das "Bureau International des Poids et Mesure" ( BIPM ) in Paris die "Internationale Atom Zeit" ( TAI ) als Referenzzeit fest. In Atomuhren wird die Eigenschaft von Atomen ausgenutzt, beim Übergang zwischen zwei Energiezuständen (Energieniveaus) elektromagnetische Wellen mit einer charakteristischen Schwingungsfrequenz f0 abstrahlen oder absorbieren zu können. Der Wert von f0 ergibt sich aus der Energiedifferenz beider Zustände, geteilt durch die Planck-Konstante. In Atomuhren werden Übergänge zwischen solchen Energieniveaus verwendet, die eine lange natürliche Lebensdauer besitzen und deren Lage nur wenig von elektrischen und magnetischen Feldern beeinflussbar ist. Geeignete Atome sind z. B. die Alkalien mit ihrer Hyperfeinstrukturaufspaltung des Grundzustandes.


5.Quellen
http://de.wikipedia.org/wiki/Zeitmessung
http://de.wikipedia.org/wiki/Zeitgeschichte
http://de.wikipedia.org/wiki/Zeit
http://www.wasistzeit.de/index.php
http://www.google.de/search?q=sanduhr&hl=de&tbm=isch&prmd=ivns&ei=YKepTe34EcnLtAbVypz_Bg&sa=N&start=42&ndsp=21
http://www.google.de/search?q=atomuhren&hl=de&prmd=ivns&source=lnms&tbm=isch&ei=PaipTbqEE8_EsgaT-sH7Bg&sa=X&oi=mode_link&ct=mode&cd=2&sqi=2&ved=0CBgQ_AUoAQ
http://www.google.de/search?hl=de&site=search&tbm=isch&sa=1&q=quarzuhren&aq=1&aqi=g1&aql=&oq=quarzuhre
http://www.google.de/search?hl=de&site=search&tbm=isch&sa=1&q=sonnenuhren&btnG=Suche&aq=f&aqi=g5&aql=&oq=

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