Die Gleichschaltung der Uhren

Oliver Hochadel | aus HEUREKA 1/05 vom 26.01.2005

Die spezielle Relativitätstheorie war kein Geistesblitz aus dem Nichts. Die weltweiten Bemühungen um die Einführung einer standardisierten Zeit, das Ringen der Philosophen und Physiker um die Bedeutung von "Gleichzeitigkeit" und die harte Denkschule des Berner Patentamtes waren der Nährboden für Einsteins Wunderjahr 1905.

Mitten im Leben. Genies haben ja manchmal komische Vorstellungen. Im Oktober 1933 schlug Albert Einstein bei einem Vortrag in London vor, begabte junge Leute in Leuchttürmen einzuquartieren, damit sie, abgeschirmt vom Getöse der Welt und umgeben nur von der Brandung des Meeres, "über wissenschaftliche Probleme insbesondere mathematischer oder philosophischer Natur nachdenken" könnten. Ein weltfremder Vorschlag eines weltfremden Gelehrten? Aber hatte Einstein nicht selbst in seinem eigenen "Leuchtturm", dem Eidgenössischen Patentamt von Bern, durch bloßes Nachdenken ein neues Weltbild ersonnen?

So will es jedenfalls die wissenschaftliche Heldensage. Und die passt doch wunderbar zu unserer Vorstellung von Einstein als einsamem Geistesheroen. Aber wie sollte es auch anders sein? Was, bitte schön, haben denn das Studieren technischer Zeichnungen und das Bearbeiten von Patentanträgen mit der Entstehung der Relativitätstheorie zu tun? Sehr viel, sagt Peter Galison. Die Geburt einer neuen, scheinbar hochabstrakten Physik um 1900 hängt für den Wissenschaftshistoriker von der Harvard University, der auch promovierter Physiker ist, untrennbar mit konkreten technischen Problemen wie der Synchronisierung von Uhren zusammen (siehe auch Interviewkasten unten).

Verkabelung der Erde. Ende des 19. Jahrhunderts wächst die Welt endgültig zusammen. Die Schienennetze lassen Distanzen schrumpfen, die durch die Ozeane verlegten Telegrafenkabel ermöglichen direkte Kommunikation. Erst die Errichtung von transkontinentalen Kommunikationsnetzen schuf die Voraussetzung dafür, dass zumindest versucht werden konnte, die Uhren durch Signalübertragung weltweit zu synchronisieren. Unter Bezugnahme auf die jeweilige lokale Zeit, die astronomisch bestimmt wurde, und durch die Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde ließen sich nun die Entfernungen zwischen New York und Paris oder zwischen Kapstadt und Haiphong in der französischen Kolonie Indochina exakt berechnen.

Entscheidend war, dass dabei die Übertragungsgeschwindigkeit der Signale berücksichtigt wurden. Auch wenn es sich nur um Sekundenbruchteile handelte, lag man schon bei Messfehlern weit hinter dem Komma sofort um Kilometer daneben. Der Koordinationsbedarf erstreckte sich gleichermaßen auf den Raum _ 1884 wurde der Nullmeridian in Greenwich festgelegt _ wie auf die Zeit, und beides war untrennbar miteinander verbunden. Die Abstimmung der Zugfahrpläne ist dafür nur das augenfälligste Beispiel. Bis zur (inter)nationalen Synchronisierung Ende des 19. Jahrhunderts hatte fast jede Stadt ihre eigene Uhrzeit, manche sogar zwei: die lokale und die überregionale der Bahnlinie.

Auf dem Genfer Inselturm beispielsweise waren um 1880 drei Zifferblätter angebracht: Das mittlere zeigte die Ortszeit an (z.B. 10:30), das linke die Zeit von Paris bzw. der Pariser Bahnlinie (10:15), während das rechte Zifferblatt die Berner Zeit (10:35) anzeigte (siehe Abb.). Wenige Jahre später war die Zeit landesweit synchronisiert worden, und der Inselturm trug nur noch ein Zifferblatt.

Mit genauen Zeitimpulsen als Dienstleistung, die an Bahnlinien und die Feuerwehren ging, wurde in den USA sogar Geld verdient. In Paris und Wien gab es in den 1870er-Jahren Dampfwerke, die über ein System unterirdischer Röhren die städtischen Uhren mittels Impulsen durch Druckluft synchronisieren sollten, wobei sich die Verzögerung aufgrund der Signalübertragung von der "Mutteruhr" zu den "Empfängeruhren" als sehr störend erwies. Im März 1891 polterte der preußische General Moltke im Reichstag, dass eine einheitliche und exakte Zeit ein militärisches Muss und der Flickenteppich verschiedener Zeitzonen in deutschen Landen eine nationale Schande seien.

Die Uhrenindustrie boomte, die Ansprüche an die Genauigkeit von Chronometern wuchsen, immer häufiger verlangten die Kunden auch einen Sekundenzeiger. Nur vor diesem Hintergrund - der Verkabelung der Welt, dem Zusammenwachsen der Schienenstränge, den zunächst wenig erfolgreichen Versuchen zur Synchronisierung der Uhren, den Begehrlichkeiten von Generälen und Kolonialherren und dem Aufstieg der elektrotechnischen Industrie - lässt sich für Galison die Entstehung der Relativitätstheorie verstehen. Warum aber wartete nun ausgerechnet ein Berner Patentbeamter damit auf?

Denkschule Patentamt. Einsteins Vater und Onkel hatten in ihrer Münchner Fabrik uhrenähnliche elektrische Instrumente zur Messung des Stromverbrauchs entwickelt und vertrieben. Dort begann Einsteins lebenslanges Faible für kleine "Maschinchen", und als er im Juni 1902 seine Stelle beim Eidgenössischen Patentamt in Bern als Technischer Experte III. Klasse antrat, war die dortige Arbeit für ihn mehr als nur ein Broterwerb. Die siebeneinhalb Jahre, die Einstein mit der Begutachtung von Patentanträgen verbrachte, schärften sein technisches Denken. Er musste sich in die eingereichten Konstruktionspläne sowie in die Modelle von Erfindungen vertiefen und beurteilen, ob diese funktionieren würden und tatsächlich neu seien. Im Patentamt wurde sein akribischer Umgang mit eingereichten Patenten sehr geschätzt, was ihm 1906 die Beförderung zum "Technischen Experten II. Klasse" eintrug.

Jedes Jahr flatterten Einstein und seinen Kollegen Dutzende von Vorschlägen für elektromagnetisch gesteuerte Uhren auf ihre Stehpulte. Im Spitzenjahr 1904 bewilligten sie 14 derartige Patente, eine nicht bekannte Anzahl von Anträgen wurde abgewiesen. In Einsteins Annus mirabilis 1905 wurden in Bern die städtischen Uhren synchronisiert, bildeten also ein eigenes Netzwerk. Reiner Zufall?

Bei seinen Spaziergängen durch Bern, ja selbst bei seinem kurzen Weg von seinem Wohnhaus in der Kramgasse auf die andere Seite zum Patentamt, sah Einstein die großen Zifferblätter der Uhrtürme in der Innenstadt. Technik und Theorie der Gleichzeitigkeit durchdrangen sich in Einsteins Denken. Mit seinen Freunden Conrad Habicht und Maurice Solovine diskutierte er in seiner Freizeit erkenntnistheoretische Fragen und Probleme des Elektromagnetismus. Das zwanglose Denkkollektiv der "Akademie Olympia" wurde für Einstein zum vollwertigen Ersatz für die seinerzeit fehlende universitäre Anbindung.

In seinen Erinnerungen datiert er den Durchbruch zur speziellen Relativitätstheorie auf Mitte Mai 1905. Seinen Freund Michele Besso überfiel er mit der Einsicht: "Die Zeit kann nicht absolut definiert werden, und es gibt eine nicht aufhebbare Beziehung zwischen Zeit und Signalgeschwindigkeit." Dann zeigte Einstein auf die elektrisch koordinierten Uhren Berns und auf den Glockenturm des Vororts Muri, dessen Uhr noch nicht an das Berner System angeschlossen war. Vielleicht hat er das in seinen Erinnerungen etwas zugespitzt. Dass Einstein am 15. Mai 1905 nach Muri umzog und damit die Zeitzone Berns verließ, passt aber sehr gut zu diesem Heureka-Erlebnis: Alles war nur eine Frage der Synchronisation, der Herstellung von Gleichzeitigkeit.

Die Arbeit an der Zeit. Dass Zeit nicht losgelöst von ihrem Bezugssystem betrachtet werden kann und insofern "relativ" ist, beschäftigte um 1900 die theoretische Physik wie auch Erfinder, Ingenieure und Technokraten gleichermaßen. Die bis dahin gültige Vorstellung von Newton, dass Zeit etwas Absolutes ist, überzeugte immer weniger: Es gab ja keine "Zentraluhr". Der "Lösung", einem dezentralisierten System von Zeitmessern, die es zu synchronisieren galt, waren sowohl Albert Einstein als auch der französische Mathematiker und Physiker Henri Poincaré (1854-1912) auf der Spur.

Poincaré, der in der Tradition der "polytechniciens" zwischen abstrakter Wissenschaft und konkreten Anwendungen pendelte, war der Grandseigneur der französischen Ingenieursgelehrten. Er organisierte Vermessungsexpeditionen nach Peru und setzte sich für die Erhaltung des Eiffelturms als Funkturm ein. Weniger Erfolg hatte Poincaré im "Bureau des Longitudes", das versuchte, die Einheiten der Zeit zu metrisieren. War der Rest der Welt Frankreich bei der Einführung des Meters als universellem Längenmaß noch gefolgt, blieben die "unmetrischen" Einheiten von 24 Stunden und sechzig Minuten bzw. Sekunden bestehen.

Wie Peter Galison betont, beschäftigten sich sowohl Poincaré als auch Einstein um 1900 sowohl aus philosophischer als auch aus physikalischer und technologischer Perspektive mit dem Problem der Zeit. Ob Einstein Poincarés einschlägige Arbeiten vor 1905 gelesen hat, ist unklar. Begegnet sind sie sich nur einmal, ein Jahr vor Poincarés Tod, auf dem ersten Solvay-Kongress 1911 in Brüssel. Ihre gegenseitige Wertschätzung hielt sich in Grenzen.

Als Physiker wollte Poincaré die alte Mechanik nicht umstoßen, sondern umbauen. Einstein hingegen verbannte den Äther, jenes "unfassbare" Medium, das für die Physik des späten 19. Jahrhunderts eine zentrale Rolle spielte, und die Hilfskonstruktionen von "wahrer" und "scheinbarer" Zeit. Anders als der pragmatisch orientierte Poincaré ging es Einstein auch nicht um "wahre Konventionen", sondern um die Begründung völlig neuer Prinzipien.

Relativitätspatent. Das Eidgenössische Patentamt war alles andere als ein einsamer Leuchtturm. "Wer hinabsieht, schaut hinauf, und wer aufschaut, sieht hinab", zitiert Galison ein mittelalterliches Sprichwort. Den Begriffen von Raum, Zeit und Gleichzeitigkeit oben entsprechen die Zahnräder, Kabel und elektromagnetischen Signale unten. Einsteins bahnbrechender Aufsatz "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" von 1905 liest sich für Galison nicht wie eine typische wissenschaftliche Abhandlung. Es fehlen Verweise auf andere Autoren, lediglich dem Freund Michele Besso wird gedankt.

Am Ende steht ein durchnummerierter Abschnitt mit Vorhersagen für die experimentellen Konsequenzen der neuen Theorie, vergleichbar dem so genannten Anspruchsabschnitt jener Anträge, die Einstein tagtäglich prüfte. Das Patent auf die Relativitätstheorie hatte Einstein damit sicher.

Peter Galison: Einsteins Uhren, Poincarés Karten. Die Arbeit an der Ordnung der Zeit. Aus dem Englischen von Hans Günter Holl. Frankfurt a.M. 2003 (S. Fischer). 382 S., e 25,60

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