Eine mechanische Uhr hat nicht a priori mit Zeit zu tun. Sie ist bloss eine Maschine, die gleichmässig Zeiger bewegt. Erst im Kopf wird aus den Winkeln dazwischen die Zeit. Es ist der Intellekt des Menschen, der eine solche Maschine zum Instrument macht, das uns an die nächste Verabredung erinnert und die Zeit für 110 Meter Hürden stoppt. Der Begriff Uhr steht deshalb, ebenso wie Zeit, für einen erstaunlich komplexen geistigen Sachverhalt.
Die Sonne ist unser Zeitnormal par excellence. Ihre jährlichen und täglichen Bewegungen über den Himmel bilden die Basiseinheiten Jahr und Tag - die Grundlagen der Zeitbestimmung. Stunde, Minute und Sekunde sind lediglich willkürliche Unterteilungen des Tages in 24, 1440 oder 86 400 Untereinheiten. Diese Untereinheiten haben seit dem Aufkommen der mechanischen Uhr im 14. Jahrhundert stetig an Bedeutung gewonnen und sind heute ausschlaggebend dafür, wie wir unseren Tag einteilen, unsere Zeit planen. Zuvor war der Tag bestimmend, auf dessen Grundlage der Kalender entwickelt wurde. Das Jahr als massgebende Zeiteinheit gewinnt erst in kosmischen Dimensionen an Aussagekraft, wo Stunden und Minuten keine Rolle mehr spielen.
Sekunde, Minute, Stunde, Tag und Jahr sind Einheiten der Zeitmessung. Woche und Monat kommen im Kalender dazu. Nicht alle Zeiteinheiten sind vom Gang der Sonne vorgegeben. Für kleinere Einheiten als den Tag liessen sich auf der Erde keine geeigneten, sich konstant wiederholenden Ereignisse beobachten. Solche mussten künstlich bestimmt oder erzeugt werden.
Wer vor dem Aufkommen der mechanischen Uhr im 14. Jahrhundert die Tageszeit feststellen wollte, orientierte sich am Stand der Gestirne oder an sogenannten Auslaufuhren, mit denen man kürzere Zeitspannen messen konnte. Um genaue Zeitangaben mit Hilfe der Gestirne machen zu können, verwendete man Instrumente wie etwa Sonnenuhren und Astrolabien. Bei einer Sonnenuhr diente bei Sonnenschein der Schatten als Weiser, der auf einer Skala abgelesen wurde. Mit dem Astrolabium vermass man die Höhe der Sonne oder eines bekannten Sterns über dem Horizont, um so die Tageszeit zu ermitteln.
Die Auslaufuhren beruhten auf der gleichmässigen Fliesseigenschaft eines Materials wie Wasser, Öl und seit der Renaissance auch Sand. Sie bestanden aus zwei durch einen engen Durchlass verbundenen Gefässen und massen die konstante Zeitdauer, die der Sand oder die Flüssigkeit brauchte, um vom einen Gefäss ins andere zu gelangen. Diese Zeitabschnittbestimmer wandte man in der Antike in Form von Wasseruhren bei Prozessen an, um die Redezeit der Parteien zu begrenzen. Aus Ägypten ist bekannt, dass mit Hilfe von Wasseruhren Nachtstunden eingeteilt wurden. Verbrennungsuhren, wie Kerzen mit Einteilungen oder Öllampen mit Ölstandmessern, waren auch im Einsatz, dürften aber noch weniger präzise gewesen sein als die Auslaufuhren.
Warum der Mensch in jener Zeit den Tag überhaupt genauer einteilen wollte, lässt sich nicht leicht ergründen. Vielleicht war es das Bedürfnis, zur richtigen Zeit zum Nachtgebet gerufen zu werden, wie einige Fachleute vermuten. Vielleicht war der Antrieb aber auch nur menschliche Wissbegier, ohne den Gedanken an die konkrete Anwendung. Die Antwort wird uns die Geschichte wohl schuldig bleiben.
Die Suche nach Zeiteinheiten, in die sich der Tag einteilen liess, war beschwerlich, da Zeit nicht sichtbar ist wie eine Strecke in der Geometrie, die sich exakt halbieren und dann vierteln und achteln lässt. Die Schwierigkeit der Zeiteinteilung ist vergleichbar einer ungewöhnlichen Aufgabe aus der Geometrie: Stellen Sie sich vor, Sie müssten in einen Kreis einen zweiten kleineren Kreis zeichnen, der die Fläche des grossen Kreises in zwei gleich grosse Gebiete teilt. Die meisten Leute scheitern an dieser Aufgabe, weil ihnen keine bekannten Vergleichsgrössen zur Verfügung stehen. Ebenso schwer fällt es, einen Ballon auf ein bestimmtes Volumen aufzublasen oder die gewohnte Schrittlänge zu halbieren. Ohne räumliche oder zeitliche Referenzeinheiten bleiben die Schätzungen unsicher. Nur: Räumliche Referenzeinheiten sind wesentlich einfacher herzustellen und aufzufinden als zeitliche. Es genügt, die Breite eines Fingers, die Länge des Ellbogens oder eines Fusses zu nehmen und wiederholt an den zu messenden Gegenstand zu halten. Ist eine solche Raumeinheit einmal bestimmt, ist sie stabil und wiederholt verfügbar.
Bei den Zeiteinheiten in der Natur ist das anders. Sieht man von der Bewegung der Gestirne ab, die eine hohe Regelmässigkeit aufweist und sich entsprechend für die Zählung grosser Zeitabschnitte eignet, war keine natürliche Bewegung, weder der Herzschlag noch ein nervöses Augenzwinkern, verlässlich genug, um daraus ein Zeitnormal abzuleiten. In Wendungen wie «eine Stunde Wegs» oder «ein Tagesmarsch entfernt» wurden zwar Entfernungen, die man gehend zurücklegen konnte, mit einer Zeitangabe verbunden. Jedoch konnte davon offensichtlich nicht eine Schrittdauer oder etwas Ähnliches als kleinere Zeiteinheit abgeleitet werden. Immerhin ging aber daraus hervor, dass Zeit durch Raumangaben und Raum durch Zeitangaben umschrieben werden können, wenn etwas in Bewegung ist.
Eine kurze, sich gleichmässig wiederholende Bewegung auf Erden zu finden hatte für den Menschen enorme Bedeutung. Zählend konnte er sie als Masseinheit für die Feststellung von Zeitdauern und die Bestimmung von Tageszeiten einsetzen. Ohne ein solches Zeitnormal wären Schlachten anders verlaufen, in denen die Angreifer ihre Truppen nach einem exakten Zeitplan einsetzten, und Schiffe wären nicht ans Ziel gelangt: Eine präzise Uhr war für die Positionsbestimmung auf hoher See ein grosser Vorteil.
Die frühesten bekannten Uhren mit einem Zeitnormal stammen aus dem 14. Jahrhundert. Durch eine einfache mechanische Koppelung gelang es damals, die Energie eines sich nach unten bewegenden Gewichtes in eine Hin- und Herbewegung eines anderen Elementes umzuwandeln. Das Gewicht setzte über eine aufgewickelte Schnur ein Räderwerk in Gang, das in kurzen regelmässigen Abständen von diesem Element, das aus Waag und Spindel bestand, abgebremst wurde. Die Waag war zunächst ein horizontaler Stab mit Gewichten an den Enden. Sie ruhte auf der Spindel, einem vertikalen Stab mit zwei abstehenden Lappen. Diese beiden Lappen wurden abwechslungsweise von einem Zahn des letzten Zahnrades aus dem Weg geschoben, womit die Waag träge um die Achse hin- und herschwang.
Wie es zu diesem Mechanismus kam, ist nicht bekannt. Wir wissen nur, dass diese Uhr aus drei Elementen bestand: einem sich hin- und herbewegenden Gegenstand (der Waag), sich drehenden Teilen (mindestens einem Rad) und einem Gewicht, dessen Fall durch die beiden anderen Teile gebremst und in eine gleichmässige Abwärtsbewegung gezwungen wurde.
Damit haben wir drei verschiedene Möglichkeiten der Zeitanzeige: das zählbare Ticktack der schwingenden Waag, die zählbare Drehung der Räder oder eines Rades und die Strecke, die das Gewicht während einer bestimmten Zeitdauer zurücklegte.
Ticktack und Räder entsprechen sich wiederholenden Ereignissen, wie Sonnenaufgang und Sonnenuntergang, der Fall des Gewichtes der Zeitmessung von Auslaufuhren. Was stand beim Entstehen des Uhrenmechanismus im Vordergrund? Wollte man einen präziseren Zeitbestimmer à la Sanduhr entwickeln, der anstelle des auslaufenden Sandes ein Gewicht langsam nach unten lässt, oder ging es wirklich um die Auffindung eines sich gleichmässig wiederholenden Ereignisses auf Erden als neue Zeiteinheit? Selbst wenn zunächst erstes im Vordergrund gestanden wäre, hatte der neue Mechanismus mit seinem Ticktack eine künstliche Zeiteinheit als Beiprodukt, die zukunftbestimmend wurde.
Die Uhr war der erste Automat. Diese Aussage scheint bescheiden, enthält aber eine umfassende Bedeutung. Automat heisst «sich selbst bewegend» - und was oder wer auf der Erde, ausgenommen Lebewesen wie Mensch und Tier, konnte sich zu jener Zeit selbst bewegen? Sich selbst bewegen hiess Leben in sich haben, lebendig sein - dies im Gegensatz zu Gegenständen ohne eigene Bewegung. Mit der Uhr hatte der Mensch sozusagen seinesgleichen erschaffen, hat er toter Materie zum Leben verholfen.
Die Uhr war leicht verständlich und analysierbar. Sie funktionierte nach geometrischen und mechanischen Vorgaben. Es lag nahe, das übrige Leben entsprechend zu begreifen. Die mechanische Uhr war Geburtshelferin des mechanistischen Weltbildes, in dem Gott als Uhrmacher auftrat und der Mensch zum Schöpfer wurde. Sie ist ältestes und wichtigstes Symbol dieser Geistesströmung, die durch Descartes und Newton ihren ersten Höhepunkt erreichte und heute vor allem in den Naturwissenschaften die bestimmende Weltanschauung ist.
In den folgenden Jahrhunderten nach dem Aufkommen der Uhr ging es darum, ihre Genauigkeit zu verbessern und sie handhabbarer zu machen. Frühe Uhren lebten oft nicht viel länger als ihre Konstrukteure. Sie waren sensible Maschinen, die ihren Dienst bald versagten, wenn sie nicht ständig gewartet wurden. Zudem waren sie meist von hängenden Gewichten angetrieben und konnten nicht einfach transportiert werden. Reisende wollten aber robuste Uhren, die sie mitnehmen konnten. Abhilfe schuf die Entdeckung der Feder als Energiequelle. Dadurch konnten Uhren hergestellt werden, die standortunabhängig funktionierten und in kleineren Ausgaben mitgetragen werden konnten.
Jost Bürgi, ein Schweizer in den Diensten des Landgrafen Wilhelm IV. von Hessen Kassel und Kaiser Rudolfs II. in Prag, bemühte sich, präzisere Uhren zu bauen. Er versuchte im 16. und 17. Jahrhundert Mechanismen zu entwickeln, die mit Sekundenlänge schwangen und verlässliche astronomische Beobachtungen ermöglichten. Zu diesem Zweck liess er zwei Waagen gegeneinander schwingen, um Ungleichheiten zu kompensieren. Anders als üblich ordnete er diese bewegten Massen vertikal an und schuf damit, ohne sich der Konsequenzen bewusst zu sein, einen Pendelmechanismus - den ersten in einer Uhr!
Die Ganggenauigkeit der Uhr wirklich verbessert hat neben Galileo Galilei der Wissenschafter Christian Huygens, der das Pendel zum erstenmal konsequent in die Uhr einbaute und 1673 die Theorie dazu im Buch «Horologium oscillatorium» lieferte. Dem Isochronismus des Pendels, der besagt, dass ein Pendel von bestimmter Länge für seine Schwingungen immer gleich lange brauche, wie weit es auch ausschlage, wenig oder viel, war zwar schon Galilei auf der Spur, die Begründung dazu und die Grundlagen und Anweisungen zur Anwendung in Uhren hat aber erst Huygens geliefert.
Huygens schlug auch als erster vor, das bisherige Schwingorgan Waag mit einer Spiralfeder zu einem Eigenschwinger zu verbinden. Eigenschwinger sind Mechanismen, die einen Ruhepunkt haben, um den sie schwingen, wenn sie davon entfernt und dann losgelassen werden. Diese Schwingungen sind beim Pendel wie bei der Spiralunruhe nahezu isochron, doch wegen der Reibungskräfte abnehmend. Damit die Schwingung erhalten bleibt, muss gerade so viel Energie zugeführt werden, wie durch die Reibungskräfte verlorengeht.
Während der Waag die Schwingung vom hängenden Gewicht über das Räderwerk von aussen aufgezwungen wurde, war sie im Eigenschwinger bereits enthalten. Er musste lediglich aus der Ruhe gebracht werden. Mit diesen Eigenschwingern waren endlich Vorgänge auf der Erde entdeckt, die auf natürlichen Prinzipien - der Schwerkraft von Gegenständen und der Elastizität von Materialien - beruhten und die gleichzeitig durch eine Hin- und Herbewegung ein genügend kleines, gleichmässiges und verwertbares Zeitnormal lieferten. Ob nun später abgelöst von elektrisch angeregten Stimmgabeln, in Schwingung versetzten Quarzen oder von Atomen, die zu Phasenübergängen angeregt werden, das Prinzip des Eigenschwingers blieb sich gleich. Lediglich die Schwingungsdauer verringerte sich, womit grössere Genauigkeit erreicht wurde.
Nach Huygens ging es darum, das Erreichte zu optimieren. Dies geschah hauptsächlich auf zwei Gebieten: der differenzierteren Kombination von Materialien und der Verfeinerung der Hemmungskonstruktion.
Durch die erhöhte Genauigkeit der Uhren zeigte sich bald, dass die verwendeten Materialien einen Einfluss auf deren Gang nahmen. Wärmeschwankungen konnten eine Uhr beschleunigen oder verlangsamen. Besonders bei Pendeluhren zeigte sich dies deutlich. Bei höheren Temperaturen verlängerte sich das Pendel, und die Uhr ging nach, bei geringeren verkürzte es sich, und die Uhr ging vor. Auf Grund der Kenntnisse des Dehnverhaltens der Materialien gelang es jedoch, verschiedene Metalle, etwa Messing und Stahl, so zu kombinieren, dass das Pendel seine Länge beibehielt. Eine entsprechende Pendelkonstruktion wurde zuerst von John Harrison im ersten Viertel des 18. Jahrhunderts vorgeschlagen. Mit der Zeit fand man aber auch Legierungen, die sich bei Temperaturveränderungen nur wenig ausdehnten oder zusammenzogen und zu Pendelstangen verarbeitet werden konnten. Nicht nur die Länge, sondern auch die Elastizität von Materialien verändert sich mit der Temperatur. Dieses Problem liess sich ebenfalls mit Legierungen lösen.
Bedeutend länger dauerte die Entwicklung der Hemmung. Unter der Hemmung verstehen Uhrmacher jenen Teil der Uhr, der die Antriebsenergie in kleine Portionen zerlegt und damit das Uhrwerk gleichmässig bewegt. Bei den Hemmungskonstruktionen ging es darum, den Einfluss des Energiespenders (Aufzugsfeder oder hängendes Gewicht) auf den Schwinger als Energieempfänger soweit wie möglich zu minimieren, um diesem den freien Schwung zu gewähren, der für die Präzision garantiert.
Die bisherigen Hemmungen, vor allem die Spindelhemmung und der Hakengang, erfüllten diese Aufgabe nur bedingt, da das Schwingorgan dauernd von der Kraft beeinflusst wurde, die seine Schwingung aufrechterhalten sollte. Erst die freie Ankerhemmung von Thomas Mudge 1750 erlaubte der Spiralunruhe, weitgehend frei und unbeeinflusst zu schwingen. Diese Hemmung von Mudge wurde bis zur heute in Armbanduhren üblichen Schweizer Ankerhemmung weiterentwickelt. Sie ist damit wohl endgültig optimiert. Heute denkt man deshalb darüber nach, auf der Basis anderer Konstruktionsprinzipien die mechanischen Oszillatoren für Uhren auf bessere Grundlagen zu stellen.
Es wurden aber auch Eigenschwinger entwickelt, die keine Hemmung brauchten. 1960 brachte Bulova die elektrische Stimmgabeluhr auf den Markt, deren Oszillator eine elektrisch in Schwingung gehaltene Stimmgabel ist, die ihre Schwingungen über Sperrhebel an ein feingezahntes Sperrrad überträgt und dieses dadurch in eine Drehbewegung versetzt. 1967 gab es von Omega und Seiko die ersten tragbaren Quarzuhren zu kaufen, bei denen ein Frequenzumwandler die Schwingungen eines Quarzes abhört und an einen Elektromotor weiterleitet, der das Räderwerk antreibt. Beiden Eigenschwingern ist gemeinsam, dass die zugeführte elektrische Energie direkt in eine brauchbare Schwingung umgewandelt wird, ohne dass sie von einer Hemmung portioniert werden muss.
Neben diesen Uhren für den täglichen Gebrauch hat die Wissenschaft hochpräzise Atomuhren entwickelt, mit denen die Basiseinheit der Zeit exakt bestimmt werden konnte: 1968 wurde auf der internationalen XIII. Generalkonferenz für Mass und Gewicht «die Sekunde als die Dauer von 9 192 631 770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den Hyperfeinstrukturen des Grundzustandes des Zäsiumatoms 133 entspricht», festgelegt.
Mit einer so genauen Zeitbasis liessen sich auch Längen auf eine neue Weise definieren: 1983 wurde das Metermass neu als die Distanz definiert, die ein Lichtstrahl innerhalb eines 299 792 458sten Teils einer Sekunde durcheilt. Hier definiert Zeit Länge. Ein Hinweis darauf, dass Zeit und Raum lediglich zwei Aspekte desselben Phänomens sind.
Keine der Uhren, die seit dem 14. Jahrhundert erfunden worden sind, hat jedoch ursächlich etwas mit Zeit zu tun. Die mechanische Uhr ist lediglich eine sich selbst bewegende Maschine, die zur Zeitmessung eingesetzt wird. Ihre Bewegungen bilden eine Reihe von sich gleichmässig wiederholenden Ereignissen. Normalerweise beruhen Ereignisreihen nicht auf Wiederholungen, sondern bestehen aus mehr oder minder willkürlich aneinandergereihten Ereignissen, wie etwa im Leben eines Menschen.
Wenn man aber eine Reihe mit sich wiederholenden Ereignissen einer normalen Ereignisreihe gegenüberstellt, können die repetitiven Ereignisse gezählt und damit die Ereignisse der anderen Reihe gemessen und bestimmt werden. Erst durch die Gegenüberstellung zweier Ereignisreihen entsteht zwischen diesen ein Vorher und Nachher, was zu einer zeitlichen Ordnung der Ereignisse und damit zum Begriff Zeit führt. Zeit ist somit nicht etwas per se Existierendes, wie etwa ein Baum, sondern Zeit ist ein Metabegriff, ein Instrument, mit dessen Hilfe der Mensch in seiner Umgebung Ordnung schafft und sich mit seinesgleichen verständigt.
Als Ordnungsinstrument sind Zeit und Uhr grosse kulturelle Errungenschaften. Die Uhr bietet dem Menschen im Kleinen - ähnlich wie die Bewegung der Gestirne am Himmel im Grossen - Reihen mit sich wiederholenden Ereignissen, die ihm als Schablone oder Massstab für andere Ereignisse dienen. Die Uhr erzeugt lediglich den Takt, der erst mit anderen Ereignisreihen zusammen zum Ordnungsbegriff Zeit erwacht.
Ludwig Oechslin ist Uhrmacher und Privatdozent für Technikgeschichte an der ETH Zürich. Er lebt in Luzern.