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Zeitmessung,

 

Astronomie und Physik: 1) das Festlegen eines Ereignisses (Zeitpunktes) oder einer zeitlichen Folge von Ereignissen durch Bestimmung von Datum und Uhrzeit in einer Zeitskala. In diesem Sinn ist die Zeitmessung die Grundlage jeder Chronologie; 2) das Messen der Dauer (Zeitspanne, -intervall) eines durch zwei zeitlich getrennte Ereignisse begrenzten Vorgangs. In diesem Fall ist das Ergebnis ein Teil oder ein Vielfaches der zugrunde gelegten Zeiteinheit. Im weiteren Sinn bezeichnet Zeitmessung auch das Entwickeln von Verfahren, Vorschriften und Geräten zur Messung der Zeit (Chronometrie).

 

Prinzipiell setzt jede Zeitmessung als Zeitmaß das Vorhandensein eines zeitlich periodischen Vorgangs voraus; z. B. die Drehung der Erde um ihre Achse oder ihren Umlauf um die Sonne, oder aber die Schwingung eines Pendels, Schwingquarzes oder eines anderen Oszillators. Die Zeitmessung besteht dann im Zählen der Perioden des jeweiligen Vorgangs, dessen Periodendauer die jeweilige Zeiteinheit darstellt (z. B. Sekunde, Tag, Jahr). Durch Vergleich voneinander unabhängiger periodischer Vorgänge lässt sich die Genauigkeit der verschiedenen Messverfahren ermitteln. Vorrichtungen zur Zeitmessung werden allgemein als Uhren bezeichnet; im engeren Sinn versteht man darunter v. a. selbstständige Geräte zur örtlichen Zeithaltung, die außer mit einem frequenzgebundenen Oszillator auch mit einem Zählsystem und einer Vorrichtung für die Anzeige der Uhrzeit ausgerüstet sind. Das Maß für die Ganggenauigkeit einer Uhr ist ihre Gangänderungsrate (Uhrgang).

 

Die auf der Zählung periodischer Vorgänge beruhende oder an sie anschließende Zeitmessung hat zur Voraussetzung, dass die Zeit als homogenes, beliebig teilbares Kontinuum aufgefasst wird und dass die Perioden des zugrunde gelegten periodischen Vorgangs (und folglich deren Dauern) mit hinreichender Genauigkeit gleich sind. Bis zur Entwicklung der Atomuhren stellten die durch astronomische Beobachtungsmethoden ermittelten Periodendauern der Rotation der Erde (Tag) und deren Umlauf um die Sonne (Jahr) die genauesten Skalenmaße für die Zeitmessung dar, von denen die Zeiteinheit, die Sekunde, abgeleitet wurde. Für praktische Zwecke war die Periodendauer der Erdrotation bezogen auf den Meridiandurchgang der Sonne (Sonnenzeit) am besten geeignet. Die so definierte wahre Sonnenzeit (des jeweiligen Orts) ist aber nicht gleichförmig, sie variiert im Laufe eines Jahres bedingt durch die elliptische Form der Erdbahn und wegen der Schiefe der Ekliptik. Man führte daher mithilfe einer fiktiven mittleren Sonne, die sich gleichförmig längs des Himmelsäquators bewegt, die mittlere Sonnenzeit ein, die proportional zum Drehwinkel der Erdrotation ist und um die Zeitgleichung von der wahren Sonnenzeit abweicht. Die mittlere Sonnenzeit des Nullmeridians, d. h. die mittlere Ortszeit von Greenwich (Greenwichzeit), dient als Weltzeit (englisch Universal Time, Abkürzung UT), auf die auch die 1884 eingeführten Zonenzeiten (Einheitszeiten) bezogen wurden. Im Deutschen Reich wurde am 1. 4. 1893 im Zuge des Übergangs von den Orts- sowie Eisenbahn- und Normalzeiten auf die Zonenzeiten einheitlich die mittlere Sonnenzeit des 15. Längengrads östlich von Greenwich als gesetzliche Zeit eingeführt (heute als Mitteleuropäische Zeit, MEZ, bezeichnet).

 

Astronomische Beobachtungen ergaben, dass die Erdrotation nicht völlig gleichförmig, sondern säkular veränderlich ist. Sie verlangsamt sich v. a. durch die Gezeitenwirkung des Mondes (Gezeitenreibung), wodurch die Tageslänge je Jahrhundert um etwa 0,0021 s zunimmt. Mithilfe von Quarzuhren konnte ab 1936 auch nachgewiesen werden, dass sie um mehr als 0,001 s pro Tag jahreszeitlich variiert. Der mittlere Sonnentag kann daher nicht als genaues Zeitmaß dienen. Da sich auch die Dauer des tropischen Jahres geringfügig ändert, wurde 1956 als Zeitmaß der Ephemeridenzeit (ET) die Dauer eines tropischen Jahres festgelegt und eine Ephemeridensekunde als der 31 556 925,9747te Teil des tropischen Jahres zur Epoche 1. Januar 1900, 12 Uhr ET definiert. Sie wurde aber bereits 1967 durch die zur Basiseinheit des Internationalen Einheitensystems erhobene Atomsekunde (SI-Sekunde) ersetzt. Die Zeitskalen, die auf dem Aneinanderfügen und Zählen solcher mit Atomnormalen hergestellten Sekundenintervallen beruhen (Atomzeit), werden allgemein als Atomzeitskalen bezeichnet. Als Referenzzeitskala von Bedeutung ist heute die Skala der Internationalen Atomzeit (TAI, Abkürzung von französisch Temps Atomique International beziehungsweise IAT, Abkürzung von englisch International Atomic Time), die 1971 von der 14. Generalkonferenz für Maß und Gewicht definiert wurde und seit dem 1. 1. 1972 gilt. Sie wird vom Internationalen Büro für die Zeit (BIH, Abkürzung von französisch Bureau International de l'Heure) auf der Grundlage der Anzeigen von Atomuhren in verschiedenen Zeitinstituten dargestellt, die entsprechend der Definition der SI-Sekunde arbeiten. Ihr Skalenmaß ist die für einen festen Ort auf der Erdoberfläche in Meereshöhe geltende SI-Sekunde; ihr Beginn wurde auf den 1. Januar 1958, 00.00.00 Uhr UT2 festgelegt. Der Bezug auf Meereshöhe ist erforderlich, da gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie das Gravitationsfeld der Erde Einfluss auf die Frequenz einer Atomuhr hat (relative Änderung etwa 10^-16 je Meter Höhendifferenz).

 

Auf dem Zeitmaß der Internationalen Atomzeitskala beruht auch die Skala der koordinierten Weltzeit (UTC; englisch Universal Time Coordinated), die durch die Festlegung des Nullpunktes der Sekundenzählung an die mittlere Sonnenzeit gebunden ist. Sie wurde 1975 von der 15. Generalkonferenz für Maß und Gewicht als Grundlage der bürgerlichen Zeitskalen und der Bildung der Zonenzeiten empfohlen und in der Bundesrepublik Deutschland durch das Gesetz über die Zeitbestimmung vom 25. 7. 1978 übernommen. Sie ist heute weltweit die Grundlage der Zonenzeiten und der Verbreitung der Zeitzeichen.

 

Geschichte:

 

Künstlich erzeugte periodische Vorgänge wurden erst in der Neuzeit zur Zeitmessung herangezogen. Das Schwerependel wurde erstmals von C. Huygens zur Gangregelung von Uhren eingesetzt. Pendeluhren erreichten bereits im 18. Jahrhundert Genauigkeiten von etwa 0,1 s pro Tag und blieben in speziellen Bauformen bis in das 20. Jahrhundert hinein, mit Fehlern von wenigen Sekunden pro Jahr, die genauesten Geräte zur Zeithaltung. Übertroffen wurden sie ab Ende der 1920er-Jahre erst durch Uhren, die durch einen Schwingquarz geregelt werden und Genauigkeiten bis zu etwa 0,1 ms pro Tag erreichen. - Frequenzstandards für hochpräzise Zeitmessungen basieren heute u. a. auf der Atomstrahlresonanzmethode, der Bestimmung der Resonanzfrequenz eingefangener und lasergekühlter Atome beziehungsweise Ionen (Ionenfallen; Paul-Falle) oder auf der Trennung der Atomzustände durch optisches Pumpen; die Abweichung einer optisch gepumpten Cäsium-Atomuhr beträgt heute circa 1 s in 1 Mio. Jahren.