Was jede Uhr benötigt.

Eine Uhr misst die Zeit nicht so, wie ein Lineal die Länge misst. Es gibt nichts, das man an „eine Sekunde“ halten könnte. Was eine Uhr wirklich tut, ist, etwas zu zählen, das sich gleichmäßig wiederholt, und dir die Anzahl anzuzeigen.

Dieses „etwas, das sich wiederholt“ kann ein schwingendes Gewicht, ein rotierendes Rad, ein schwingender Kristall oder ein schwingendes Atom sein. Was auch immer es ist: Jede Uhr, ob alt oder modern, besteht aus denselben vier Teilen:

• Ein Oszillator: das, was sich wiederholt. Er führt immer wieder dieselbe Bewegung aus und bestimmt das Tempo.
• Ein Zähler: etwas, das die Wiederholungen zusammenzählt (Zahnräder oder elektronische Schaltungen).
• Eine Energiequelle: ein fallendes Gewicht, eine aufgezogene Feder oder eine Batterie, denn jeder echte Oszillator verliert bei jeder Schwingung ein wenig Energie und würde ohne neue Energiezufuhr stehen bleiben.
• Eine Anzeige: Zeiger auf einem Zifferblatt oder Ziffern auf einem Bildschirm, die die Anzahl in Stunden, Minuten und Sekunden umwandeln.

Die Größe einer Wiederholung ist die Periode, geschrieben T, gemessen in Sekunden. Wie viele Wiederholungen pro Sekunde stattfinden, ist die Frequenz, geschrieben f, gemessen in Hertz (Hz). Es sind zwei Arten, dasselbe auszudrücken:

f = 1 / T und T = 1 / f

Ein Pendel, das 0,5 s braucht, hat eine Frequenz von 1 / 0,5 = 2 Hz: zwei Schwingungen pro Sekunde. Eine langsame Schwingung von 2 s hat eine Frequenz von 0,5 Hz. Merke dir diese beiden Zahlen: Ein Pendel mit einer Periode von 2 s ist das berühmte „Sekundenpendel“, weil es einmal pro Sekunde tickt (einmal auf dem Hinweg und einmal auf dem Rückweg).

Die Geschichte der Uhren ist größtenteils die Geschichte immer besserer Oszillatoren. Hier ist die Familie, der du in diesem Kurs begegnen wirst:

Eine höhere Frequenz allein macht noch keine bessere Uhr, aber sie gibt dir feinere Zeitabschnitte zum Zählen, und die besten Oszillatoren sind außerdem sehr gut darin, ihr Tempo beizubehalten.

Ein Wort für diese letzte Eigenschaft: Q, der Gütefaktor. Ein Oszillator mit hohem Q schwingt lange weiter, bevor er abklingt – wie eine gute Glocke im Vergleich zu einem dumpfen Schlag. Er verliert pro Schwingung nur sehr wenig Energie, daher verändern kleine Anstöße und kleine Störungen seinen Takt nur sehr wenig. Der Übergang vom Pendel zur Unruh, dann zum Quarz und schließlich zu Atomen bedeutet im Wesentlichen, dass Q immer größer wird. Du wirst Q jetzt noch nicht berechnen. Merke dir einfach das Bild einer Glocke, die immer weiterklingt.

Ein Oszillator unterscheidet eine Uhr auch von einer Sonnenuhr. Eine Sonnenuhr zeigt die Zeit anhand der Bewegung der Sonne. Deshalb funktioniert sie nur bei Tageslicht und klarem Himmel, und sie zeigt die Sonnenzeit, die sich ein wenig von der „Uhrzeit“ unterscheidet. Das Labor „Sonne, Erde & Mond“ erklärt, warum. Ein Pendel oder ein Kristall schwingt auch nachts, in einer Höhle, auf einem Schiff oder auf dem Mond weiter. Diese Unabhängigkeit von Wetter und Himmel machte mechanische Uhren so nützlich.