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Das 9.192.631.770 -fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Caesiumnuklids 133 Cs entspricht.

Wasseruhren haben im Gegensatz zu Sonnenuhren den Vorteil, tageslichtunabhängig zu sein. Erfunden wurde die Wasseruhr vermutlich von den Ägyptern, lange vor Beginn der abendländischen Zeitrechnung. Im Grab des Amenophis im 2. Jahrtausend v.d.Z. ist von einer Wasseruhr die Rede.Im 4. Jht. v. Chr. ist es Platon angeblich gelungen, mit Hilfe einer Wasseruhr einen Wecker zu bauen. Im 3. Jht. v. Chr. ist es angeblich einem Arzt gelungen, mit Hilfe einer Wasseruhr den Puls seiner Patienten zu messen.

Wasseruhren tauchen wiederum in einer Vielzahl von Variationen auf. Bei Einlaufuhren zeigt ein steigender Wasserpegel, bei Auslaufuhren ein sinkender Wasserpegel das “Verinnen” der Zeit an. Die Klosterwasseruhr funktioniert ähnlich der Sanduhr: aus einer oberen Kugel läuft Wasser durch ein Röhrchen in eine untere Kugel und wird nach einer geeichten Einheit umgedreht. Die Wasserpendeluhr macht sich die Eigenschaften des Pendels zunutze. Die Kompensationswasseruhr des Griechen Pyrlas funktionierte im Zusammenspiel mit Quecksilber und glich Temperaturschwankungen aus. Schließlich ist noch die Walgeuhr zu erwähnen, welche aus einem Gestell besteht, in dem sich eine Trommel bewegen kann

Während die mechanische Uhr sich anschickte, ihren Siegeszug in Bezug auf die Zeitmessung anzutreten, tauchte die Sand- oder Stundenuhr als zunächst ernstzunehmende Konkurrentin auf. Es gibt Gerüchte, die die Sanduhr bereits im 8. Jhd. im Frankenland gesichtet haben wollen, doch die erste Darstellung dieses Zeitmessers tauchte erst auf einem Fresko aus dem Jahre 1337 - 39 in Siena auf, die erste Beschreibung vermutlich 1313 in Francesco Barberinos "Documenti d'Amore".

Sanduhren gingen grundsätzlich genauer als Wasseruhren, denn die Menschen entdeckten, daß die Dynamik dieser Uhr nicht von der Höhe des Sandes abhängt, wenn die konische Form der Gläser den richtigen Winkel hat. Sie verwandten darüber hinaus keinen Sand, sondern feingemahlene Eierschalen, da diese einen gleichmäßigeren Fluß garantierten. .Vor allem aber wurden sie in den Stuben und auf den Kanzeln kirchlicher Einrichtungen gesichtet: der Ausruf "Brüder, auf ein weiteres Glas" ist nicht auf die Trinkgewohnheiten der Mönche zurückzuführen, sondern auf das Drehen der Uhr, welches eine neue Predigtsequenz "einläutete".

Bereits um das Jahr 5000 v. Chr. wurden in Ägypten Sonnenuhren zur Zeitmessung verwendet. Aus China sind Sonnenuhren aus der Zeit um 3000 v.Chr. bekannt. Sonnenuhren gab es auch bei den Inkas, vermutlich in Verbindung mit kultischen Zwecken, und in Indien schuf Jai Singh um 1700 gewaltige Sonnenobservatorien. In allen Kulturen stellt die Sonnenuhr das erste Zeitmessinstrument dar.

Die Anforderungen an die Genauigkeit der Zeitangabe waren längst nicht so groß wie heute. Es genügte im allgemeinen, aus der Länge des eigenen Körperschattens die Tageszeit zu bestimmen. Dazu wurde der Schatten durch Abschreiten, Fuß vor Fuß, gemessen, nachdem man sich vorher die Stelle gemerkt hatte, wo der Schatten des Kopfes war. Die antike Beschreibung dieses Verfahrens besagt, die Natur habe es so eingerichtet, dass kleinere Leute auch kürzere Füße hätten, so dass sich ein konstantes Verhältnis zwischen der Körpergröße eines Menschen und seiner Fußlänge ergebe.

Da die Sonne im Lauf eines Tages vom Aufgang bis zum Untergang sowohl die Höhe über dem Horizont wie auch die Himmelsrichtung ändert, kann der Schatten auf zweierlei Weise zur Zeitbestimmung dienen: entweder durch Ausmessen der Schattenlänge oder durch Feststellung der Richtung des Schattenwurfs.

Der Stand der Sonne ist aber nicht nur von der Tageszeit, sondern auch von der Jahreszeit und unserem Standort auf der Erdoberfläche abhängig (Längengrad/Breitengrad).

Grundsätzlich gibt die Richtung des Schattens eines von der Sonne beschienenen Stabes die Zeit des betreffenden Ortes auf der Erdkugel, die sog. Wahre Ortszeit, an. Während bei den Sonnenuhren des Altertums der schattenwerfende Stab stets senkrecht auf der Erdoberfläche stand oder waagrecht aus einer Wand herausragte, werden etwa seit dem 15. Jahrhundert hauptsächlich Sonnenuhren verwendet, deren Stab parallel zur Erdachse gerichtet ist. Der Neigungswinkel gegen die Ebene des Horizontes ist dabei gleich der geographischen Breite des Aufstellungsortes.

Die Kompassmacher halfen mit ihren tragbaren Sonnenuhren, den Zeitraum von den Anfängen der Räderuhr bis zum Beginn des 19. Jahrhunderts zu überbrücken, als endlich eine verlässliche Taschenräderuhr, wenn auch zu hohem Preis, angeboten wurde.

Unentbehrlich war die Sonnenuhr auch dann noch zur Gangkorrektur der Räderuhren, denn eine "Normalzeit" war ja noch unbekannt. Zu einem Zentrum der Kompassmacher entwickelte sich Augsburg und Nürnberg.

Die Schwierigkeiten waren zu Beginn der Sonnenuhrherstellung enorm, denn die Kompassmacher mussten mit dem Problem der Vielzahl der Stundenzählung und der unterschiedlichsten Dauer der Stunden fertig werden.

Im 15. und 16. Jahrhundert begeisterte man sich für die Vielflächen-Sonnenuhren. Solche Uhren wurden in allen Größen gefertigt. Sie hatten den Vorteil, sich ohne Zuhilfenahme eines Kompasses exakt ausrichten zu lassen: Die Uhr war dann genau ausgerichtet, wenn alle von der Sonne beschienenen Flächen die gleiche Zeit angaben. Stets mussten die Sonnenuhren auf einen bestimmten geographischen Breitengrad geeicht werden, gaben also nur auf dieser Breite die genaue Zeit an. Tragbare Sonnenuhren versah man deshalb mit Vorrichtungen, die es ermöglichten, sie auf unterschiedliche geographische Breiten einzustellen.

Die ursprünglichste Aufgabe, die eine Sonnenuhr zu erfüllen hat, ist die Anzeige der Zeit. Im Laufe der Geschichte hat sich die Einteilung der Tageszeit, also die Gebrauchszeit, mehrmals geändert.

Antike- oder Temporalstunden: In der Antike wurden der Tagbogen der Sonne, d. h. die Zeit von Sonnenauf- bis Sonnenuntergang, sowie der Nachtbogen in jeweils zwölf gleich lange Teile geteilt. Im Sommer sind die Tagstunden länger, im Winter kürzer. Daher werden sie auch als Temporalstunden bezeichnet. Dieses Stundenmaß wurde bis zum Ende des Mittelalters benützt.

Zwischen dem 8. und 15. Jahrh. wurden in Europa an nach Süden gerichteten Wänden von Kirchen Sonnenuhren errichtet, die sich von den antiken Sonnenuhren ableiten lassen. Ihr Hauptzweck war, die Gebetszeiten anzugeben. Deshalb bezeichnet man sie als kanoniale Sonnenuhren. Die Zeitlinien wurden in unterschiedlicher Anzahl eher primitiv in Stein gemeisselt (Kratzuhren) . Diese kanonialen Sonnenuhren sind keine Zeitmesser im heutigen Sinn, sondern hatten lediglich die Aufgabe, den lichten Tag in bestimmte Zeitabschnitte (Gebetszeiten)zu teilen. Als Schattengeber diente ein rechtwinkelig auf das Zifferblatt gestellter Stab, den man als Gnomon (griech. = Weiser) bezeichnet.

Sie werden von der Oszillation eines Atomkernes gesteuert, welche sich durch außerordentlich hohe Frequenzkonstanz auszeichnet. Man misst diese Frequenz, die also immer gleichförmig pro Sekunde ist. Es ist aber auch bekannt, dass sich die Frequenz eines Atoms in einem Gravitationsfeld ändert. Atomuhren gehen also scheinbar nur in dem Gravitationsfeld genau, auf das sie eingestellt sind. (z.B. die Erde).

Die meisten Atomuhren arbeiten mit dem Element Caesium, das über 55 Elektronen verfügt. Von diesen liegen 54 in den inneren Elektronenschalen, nur ein Elektron liegt völlig frei in einer weiteren Schale. Es kommt in zwei verschiedenen Zuständen vor:

a) es hat einen Parallel-Spin, es rotiert also in die gleiche Richtung um die eigene Achse wie der Atomkern.

b) das Elektron und der Atomkern haben jeweils unterschiedliche Drehrichtungen, was als Anti-Parallel-Spin bezeichnet wird.

Das Caesium-Atom wechselt nun von einem Zustand in den anderen, wenn man es mit Radiowellen bestrahlt, deren Frequenz von einem Quarzkristall gesteuert wird.

In einer Atomuhr werden zunächst ein paar Gramm Caesium auf rund 100 Grad C erhitzt, wodurch sich Caesiumdampf bildet, der aus gleich vielen Atomen in den beiden Zuständen besteht. Nun werden die Atome sortiert, so dass nur noch Atome mit einem parallelen Spin übrig bleiben. Hierzu sortiert zunächst ein Magnetfeld die erwünschten Atome aus. Diese werden nun mit der Radiowelle bestrahlt, was bewirkt, dass bestimmte Elektronen, je nach dem Frequenzpunkt, ihre Drehrichtungen wiederum ändern. Diese falschen Atome werden nochmals durch ein Magnetfeld aussortiert.

Anschließend werden die Atome nochmals erhitzt, wodurch sie ihre äußeren Elektronen verlieren und zu Caesium-Ionen werden. Dieser entstehende Ionenstrom wiederum reguliert nun den Quarzkristall, der seinerseits die ursprüngliche Radiowelle steuert. Er sorgt also dafür, dass der Quarzkristall mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hertz schwingt. Und nach genau dieser Zeit ist eine Sekunde vorüber.

Wir können jedoch immer nur eine relative Zeitangabe machen, eben relativ in unserem Raum-Zeit-Gefüge. Alle Zeitmessgeräte, und seien sie noch so exakt, können also nur eine Zeit-Einteilung abgeben für den Ort, wo sie wirken. Und da sind sie noch ungenau: z.B. in der Richtungsangabe, in welche die Zeit wirkt.