Die Geschichte der Zeitrechnung (Fokusthema Februar 2024)
Beitrag: Thomas Baer, Redaktion ORION
Dieses Jahr ist wieder einmal ein Schaltjahr mit 366 Tagen. Würde man nicht (fast) alle vier Jahre einen zusätzlichen Tag (am 24. Februar – dem Schalttag) einfügen, stimmte unser Kalender langsam aber sicher nicht mehr mit den Jahreszeiten überein. Doch diesmal wollen wir uns nicht nur mit den Schalttagen, sondern auch mit den Schaltsekunden beschäftigen.
Wir erinnern uns vielleicht noch an den Millenniumswechsel, als heftig darüber diskutiert wurde, ob das 21. Jahrhundert mit dem Jahreswechsel 1999 auf 2000 oder eben doch erst von 2000 auf 2001 beginnt. Viele Menschen – wahrscheinlich die meisten, begrüssten das neue Jahrtausend ein Jahr zu früh! Richtig ist: Das 21. Jahrhundert, respektive das neue Jahrtausend, begannen am 1. Januar 2001. Der Hype damals war besonders in der Computerbranche gross, da man nicht wusste, ob die Rechner mit der zweistelligen Angabe der Jahreszahlen klarkommen würden. Tatsächlich befürchtete man, dass Computersysteme mit dem Wechsel von «99» auf «00» ein Problem bekommen könnten. In vielen Medien wurden Szenarien apokalyptischen Ausmasses prophezeit, doch man beugte dem Millennium-Bug vor, indem Grossrechner weltweit rechtzeitig «saniert» wurden.
Doch warum komme ich auf die Computer zu sprechen, wenn das Thema die «von der Zeit, Schalttagen und Schaltsekunden» handelt? Die Befürchtungen waren zum Jahrtausendwechsel nicht ganz unbegründet. Genauso heikel aber sind «künstliche Zeiteinschübe» wie Schaltsekunden, da digitale Uhren nicht darauf ausgelegt sind, zwischen 23.59.59 Uhr und 00.00.00 Uhr für eine Sekunde zu pausieren. Letztmals wurde am 31. Dezember 2016 eine Schaltsekunde eingefügt. Seither wird überlegt, ob man diesen Vorgang seltener durchführen sollte, da er eine Fehlerquelle für Computersysteme darstellen kann. Doch warum müssen wir überhaupt ständig an unserem Kalender «schrauben»?
Als sich der Frühlingsbeginn verschob
Noch bis weit ins Altertum orientierten sich viele Völker am Lauf des Mondes. Doch wie wir wissen, ist das Mondjahr kürzer als das Sonnenjahr. In Ägypten erkannte man durch die Beobachtung des heliakischen, «zur Sonne gehörenden» Aufgangs des Hundssterns Sirius in der Morgendämmerung die wahre Länge des Sonnenjahrs von 365 Tagen. Als Pharao Ptolemaios III. diesen Umstand in Form einer Kalenderanpassung berücksichtigen wollte, stiess er auf Widerstand seitens der Priesterkaste, die ihre Rolle als «Kalenderpropheten» sowie Macht und Einfluss verloren hätte.
Der Kalender geriet folglich ziemlich aus den Fugen, und so hatte Julius Cäsar 46 v. Chr. den Auftrag, diesen zu reformieren. An seiner Seite hatte er mit Sosigenes aus Alexandria einen astronomischen Berater, der dem römischen Herrscher den Einschub eines ganzen Tages alle vier Jahre vorschlug. Bekanntlich ist das Sonnenjahr nicht exakt 365 Tage lang, sondern 365.24219052 Tage (365 d, 5 h, 48 min und 46 s), also einen knappen Vierteltag länger. So gesehen, machte Sosigenes Vorschlag durchaus Sinn; denn alle vier Jahre hatte sich der Vierteltag zu einem ganzen Tag aufsummiert.
Vielen von uns ist jedoch nicht bewusst, dass nicht der 29. Februar, sondern der 24. Februar «Schalttag» ist. Dies hat ebenfalls eine historische Bewandtnis: Bevor Caesar seine Reform einführte, wurde jedes zweite Jahr, entweder am 23. oder 24. Februar ein «Zusatzmonat», der 27- oder 28-tägige Mensis intercalaris oder lat. Mercedonius, eingefügt. Eben: Das Mondjahr ist kürzer als das Sonnenjahr, und so entstand alle zwei Jahre die oben genannte Zeitspanne, welche korrigiert werden musste.
So wurde der 24. Februar in den kirchlichen Kalender übernommen (und nicht, wie fälschlicherweise angenommen der 29.). Die Tagesheiligen verschieben sich in einem Schaltjahr um einen Tag nach hinten, während der 24. Februar offiziell als «Schalttag» geführt wird.
Doch auch Caesars julianischer «Sonnenkalender» hatte seine Mängel. Das julianische Jahr ist 365.25636 Tage lang, elf Minuten länger als das Sonnenjahr, womit sich im Laufe der Zeit der Frühlingsbeginn innerhalb des Kalenders vorverschob, alle 130 Jahre um einen ganzen Tag! Im Jahr 1582 war es so, dass das Frühlingsäquinoktium auf den 11. März fiel und sich alle anderen astronomischen Ereignisse um 10 Tage nach vorne verschoben. Papst Gregor XIII. wollte diesen Makel beheben und führte noch im selben Jahr eine Korrektur durch. Auf den Donnerstag, 4. Oktober, folgte der Freitag, 15. Oktober. Um ein vergleichbares Abrücken des Frühlingstermins zu vermeiden, wurde im gregorianischen Kalender neu mit der Dauer des mittleren Kalenderjahres mit 365.2425 statt wie bisher mit 365.25 Tagen gerechnet. So entstanden die heute gängigen Schaltregeln: Ein Jahr ist dann ein Schaltjahr, wenn es ohne Rest durch 4 teilbar ist. Falls sich die Jahreszahl durch 100 restlos teilen lässt, ist es allerdings kein Schaltjahr (z. B. 1900). Falls auch eine Teilung durch 400 ganzzahlig möglich ist, dann ist es ein Schaltjahr, wie z. B. das Jahr 2000. Mit dieser Regelung pendelt der Frühlingsbeginn zwischen dem 19. und dem 21. März, anstatt symmetrisch um den 21. März.
Wie wir unschwer erkennen, ist unser Zeit- und Kalendersystem künstlich geschaffen und geht im Kommastellenbereich nie ganz auf. Auch ein Erdentag, obwohl so im Schulunterricht gelernt, dauert nicht 24 Stunden, sondern bloss 23 h 56 min 4.0905 s; und selbst dieser Wert ist nicht exakt, denn die Erdrotation ist nicht perfekt gleichmässig!
Warum hat eine Stunde nicht 100 Minuten?
Wir sind uns in unserem Alltag ans Dezimalsystem (Zehnersystem) gewohnt, das seine Wurzeln im Altertum hat und unter anderem den Zahlschriften, etwa der Ägypter, Griechen und Römer zugrunde liegt. Daher ist die Frage durchaus berechtigt, warum eine Stunde nicht 100 Minuten lang ist oder mittags die Uhr nicht 10 Uhr anzeigt. Dass wir es bei der Zeitmessung mit einem 60-er-System (Hexagesimalsystem) zu tun haben, geht auf die Babylonier (um das Jahr 1000 v. Chr.) zurück, deren Zahlensystem auf der Zahl 12 beruhte und eine religiöse Bedeutung hatte, nicht zuletzt, weil das Jahr 12 Lunationen (Zeitspanne von Neu- zu Neumond: 29.53 Tage) zählt. Somit gliederten die Babylonier das Jahr in zwölf Monate und den Tag sowie die Nacht in je zwölf Einheiten (Stunden); zusammen 24 Stunden. Die Sechzigeraufteilung kam daher, weil die Zahl 60 ein Vielfaches von 12 ist. Die Stundenaufteilung in Minuten und die Minutenaufteilung in Sekunden hatte für die Menschen im Alltagsleben damals kaum eine Bedeutung. Es waren mathematische Grössen, die vor allem in der Astronomie wichtig waren. Man sprach auch von der «Sonnensekunde», da sie der 86'400ste Teil eines Tages ist. In den 1960er-Jahren wurde sie von der Ephemeridensekunde, basierend auf einem vollen Erdumlauf um die Sonne, abgelöst. Als «Musterjahr» wurde das Jahr 1900 gewählt. Die Sekunde war neu somit der 31 556'925.9747-ste Teil des Jahres 1900. Doch wie wir wissen, unterliegt auch die Erdbahn respektive die Erdbewegung geringen Schwankungen und war daher für exakte Messungen zu ungenau.
Wie lange dauert 1 Sekunde?
Also musste eine verlässliche Definition gefunden werden, genauso wie das «Ur-Kilogramm» oder der «Ur-Meter» als Referenzgrössen einst festgelegt wurden. Die Wissenschaftler suchten folglich nach einer gleichbleibenden konstanten Grösse und fanden diese in einer atomaren Naturkonstante.
Seit 1967 wird eine Sekunde als das 9 192'631'770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entspricht, definiert, ein Wortlaut, den man auch nach mehrmaligem Lesen kaum versteht. Daher hat man diese nur schwer verständliche Definition 2019 sprachlich vereinfacht: Die Periodendauer (Schwingung) des Caesiumatoms-133 entspricht exakt 9 192'631'770 Hz (Hertz), woraus sich die folgende Neuformulierung ergibt:
«Die Sekunde, Einheitenzeichen s, ist die SI-Einheit (Système international d’unités) der Zeit. Sie ist definiert, indem für die Caesiumfrequenz Δν, der Frequenz des ungestörten Hyperfeinübergangs (Energieaufspaltung in den Spektrallinien und Atomspektren) des Grundzustands des Caesiumatoms 133, der Zahlenwert 9 192'631'770 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit Hz, die gleich s−1 ist.»
Noch einfacher ausgedrückt: Caesiumatome können ihren Energiezustand verändern, indem sie entweder Energie aufnehmen oder abgeben. Diese Energie wird in Form von elektromagnetischer Strahlung ausgetauscht, die eine gewisse Frequenz besitzt. Bestrahlt man ein Caesiumatom mit genau der Frequenz, die es annimmt, wechselt es seinen Energiezustand. Beim Einnehmen des ursprünglichen Energiezustands gibt es wieder Strahlung mit derselben Frequenz ab. Diese Frequenz ist bei allen Caesiumatomen immer gleich. Diese 9 192'631'770-fache Schwingung bleibt auch in Jahrmilliarden unverändert. So haben wir ein hochpräzises, aber recht abstraktes Zeitmass geschaffen; die Caesiumsekunde oder «Atomsekunde».
Wir haben jetzt eine gleichförmig verlaufende Zeitskala, die Internationale Atomzeit (TAI). Die ungleichförmige Erdrotation wird natürlich weiterhin überwacht; aus ihr leitet sich die ungleichförmig verlaufende Zeitskala, die Weltzeit (UT1) ab. 1972 betrug der Unterschied zwischen UT1 und TAI schon 10 Sekunden, 2024 sind es bereits 37 Sekunden.
Warum müssen gelegentlich Schaltsekunden eingefügt werden?
Doch auch mit der «Atomsekunde» haben wir das Problem der exakten Zeitmessung noch immer nicht vollends im Griff, denn die Erde rotiert minim langsamer, als es die Definition der Sekunde vorgibt; ein mittlerer Sonnentag ist um Sekundenbruchteile länger als die 86'400 Sekunden. Über Jahre hinweg wird dieser Effekt aufsummiert, womit gelegentlich eine Schaltsekunde in die koordinierte Weltzeit (UTC) eingefügt werden muss. Dies war bis jetzt der Fall, wenn die Zeitdifferenz DUT1 (Difference to Universal Time 1) zwischen Weltzeit (UT1) und der Greenwicher mittleren Sonnenzeit (GMT) grösser als 0.9 s wurde. Wir können diesen Sekunden-Einschub mit den Schalttagen durchaus vergleichen. Eingefügt wurden sie entweder am 30. Juni oder am 31. Dezember. Letztmals war am 31. Dezember 2016 eine Schaltsekunde fällig.
Die Erdrotationsgeschwindigkeit ist ständigen Unregelmässigkeiten unterworfen, die nicht vorhersagbar sind. So etwa können auch starke Erd- oder Seebeben die Erdachse etwas ins Schlingern versetzen, so geschehen beim Tsunami 2004. Schaltsekunden fügte man nach Bedarf ein, in den 1980er- und 1990er-Jahren rund alle anderthalb Jahre, danach etwas weniger oft. Im Jahr 2020 rotierte die Erde schneller als im halben Jahrhundert zuvor; sie holte fast eine Zehntelsekunde auf und man diskutierte gar über die Einführung von negativen Schaltsekunden.
Wie wird es in Zukunft gehandhabt?
Wie eingangs beschrieben, können solche Schaltsekunden Fehler in Computersystemen auslösen. Daher wird derzeit überlegt, ob man dieses Prozedere künftig seltener durchführen oder für eine gewisse Zeit ganz aussetzen soll, und man denkt auch bereits über eine grundsätzliche Änderung der Schaltregeln nach. Im November 2022 hatte die Generalkonferenz für Mass und Gewicht in Paris getagt und entschieden, dass ab dem Jahr 2035 keine Zusatzsekunden mehr zur koordinierten Weltzeit (UTC) hinzugefügt werden sollen. Dies wird so gut wie niemand bemerken. Doch für die Astronomie wird es Auswirkungen haben, denn die Astronomische Zeit und die Weltzeit werden dadurch eine immer grössere Differenz aufweisen. Wie stark der Unterschied werden darf, ehe eine Korrektur erfolgt, soll 2026 beraten werden. Bis spätestens im 2600 würde es sich dann doch lohnen, wieder einmal zu korrigieren, denn bis dann hätten sich die nicht eingefügten Schaltsekunden auf eine ganze Schalt-Stunde aufsummiert; dann könnte es an einem bestimmten Tag gleich einen 25-Stunden-Tag geben.
