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Jun 21, 2023

Auf der Suche nach der verlorenen Zeit von Tom Vanderbilt

Illustrationen von Dima Kashtalyan Als ich ein Kind war, in der Touch-Tone-Ära im Mittleren Westen, wählte ich oft, ohne wirklichen Grund, die „Time Lady“ – eine Schauspielerin namens Jane Barbe, wie sich herausstellte – wer würde das tun?

Illustrationen von Dima Kashtalyan

Als ich ein Kind war, in der Touch-Tone-Ära im Mittleren Westen, wählte ich oft ohne wirklichen Grund die „Time Lady“ – eine Schauspielerin namens Jane Barbe, wie sich herausstellte – die mit aller Autorität „at“ ankündigte den Ton“, die richtige Zeit auf die Sekunde genau. Ich war damals ein bisschen besessen von der Zeit. Ich starrte wie gebannt auf das Foucault-Pendel im Chicagoer Museum für Wissenschaft und Industrie, während es seine langsamen Spuren durch den Tag zog; Oder starren Sie auf die patinierte grüne Uhr, auf deren Spitze ein weltlicher Patriarch mit einer Sense und einer Sanduhr steht und auf der nur ein einziges Wort steht – Zeit –, das Jewelers Building am East Wacker Drive schmückt. Aber nichts fühlte sich so unmittelbar und so seltsam befriedigend an, wie die genaue Zeitangabe durch die Intimität der Hörmuschel des Telefons. Doch es hinterließ bei mir eine nagende Frage: Woher weiß sie, wie spät es ist? Ich stellte mir vor, dass die Zeit, wie das Notfallwarnsystem, von einer sicheren Regierungseinrichtung ausging, möglicherweise im Untergrund.

Ich habe mich nicht ganz geirrt. Nachdem ich mich diesen Sommer fünf Jahrzehnte lang gefragt hatte, was die Uhrzeit antreibt, befand ich mich im Tempel der Zeitmessung des Landes: dem Joint Institute for Laboratory Astrophysics in Boulder, Colorado. JILA (es reimt sich auf Willa) ist ein Forschungsinstitut der University of Colorado und des National Institute of Standards and Technology (NIST), einer großen und relativ wenig bekannten Bundesbehörde, die in unserem Alltag eine wichtige, wenn auch stille Rolle spielt Leben.

Am Abend vor meinem Besuch hatte ich time.gov geöffnet, die sehr offiziell aussehende Seite mit der Überschrift „official us time“, die vom NIST und dem US Naval Observatory betrieben wird. Die Website enthält eine Karte der Vereinigten Staaten, die in Zeitzonen unterteilt ist, sowie eine Vielzahl von Hilfsuhranzeigen (Chamorro-Standardzeit, Aleuten-Standardzeit), die auf der zweiten Ebene scheinbar synchron tickten. Mir ist aufgefallen, dass meine eigene Uhr – die Garmin Forerunner 935, eine „Premium-Laufuhr“, die ihre Zeit im Allgemeinen von vier der einunddreißig aktiven GPS-Satelliten rund um den Globus erhält – eine Sekunde hinterher zu sein schien. Warum?

Dies war eine der ersten Fragen, die ich Judah Levine stellte, einer 82-jährigen JILA-Physikerin und einer von „Amerikas Zeitnehmern“. „Die Handheld-Typen liegen normalerweise um eine oder eine halbe Sekunde daneben“, sagte Levine. „Das liegt daran, dass die Anzeige des Geräts nicht schnell genug ist.“ Er sagte dies mit müder Resignation. Levine war weißhaarig, hatte eine Brille mit Goldrand, trug ein blaues Flanellhemd, eine graue Arbeitshose und feste schwarze Schuhe und erinnerte mich an einen dieser etwas streitsüchtigen Handwerksmeister, die man immer noch in bestimmten alten Vierteln von Brooklyn findet. Die Regale seines Büros waren mit Physiklehrbüchern gesäumt, und eine Uhr von Oregon Scientific – die ein Funksignal vom NIST empfängt – zeigte die Zeit in quaderförmigen Flüssigkristallzahlen an.

Um meiner Uhr gerecht zu werden, erklärte Levine, dass time.gov (das mir mitgeteilt hatte, dass der von mir verwendete Laptop eine Abweichung von „+0,012 s“ hatte) selbst deutlich daneben lag. „Es dauert eine Weile, bis das Signal über das Netzwerk übertragen wird, worauf wir keinen Einfluss haben“, erklärte er. Die tatsächliche korrekte Zeit war in einem Labor neben Levines Büro ausgestellt. Es erschien als eine Reihe roter Ziffern auf einem Gerät, das wie ein High-End-Stereoverstärker aussah. Dabei handelte es sich um eine Anzeige der offiziellen Zeit, die von einer Reihe von Cäsiumfontänen-Atomuhren ein paar Meilen entfernt auf dem NIST-Campus in Boulder gemessen und per Satellit an JILA gesendet wird. Hier war der Sitz der weltlichen Macht, das pulsierende Metronom der Nation. Ich sah zu, wie die roten LED-Sekunden vergingen und in ihrer unerbittlichen Autorität badeten. Zu diesem Zeitpunkt führte Levine jedoch eine weitere Komplikation ein. Die Zeit, die wir uns angesehen haben, könnte sich in einem Monat tatsächlich als falsch erweisen.

Die offizielle Zeit der Vereinigten Staaten ist der sogenannten UTC oder koordinierten Weltzeit untergeordnet, die seit den frühen sechziger Jahren der offizielle Zeitstandard der Welt ist. UTC wurde vom französischen Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) realisiert und verbreitet und ist eine Aggregation von Zeiten, die von den Atomuhren erfasst werden, die von mehr als achtzig nationalen Behörden auf der ganzen Welt betrieben werden. „UTC“, bemerkte Levine, „wird nachträglich berechnet.“ Dies geschieht zum Teil deshalb, weil es zu kostspielig und logistisch zu komplex wäre, die Uhren der Welt am Laufen zu halten. Es gebe aber noch einen anderen Grund, fuhr er fort: „Uhren zeigen oft ein Fehlverhalten.“ Freilaufende Uhren, die nicht häufig neu kalibriert werden, beginnen auf subtile Weise zu „driften“, was in Echtzeit schwer zu erkennen sein kann. Der Vorteil einer „retrospektiven Zeitskala“, wie Levine es nennt, besteht darin, dass man „rückblicken und Dinge erkennen kann, die man in Echtzeit nie erkennen könnte“.

Levine wartete auf die offiziellen Zeitdaten des Vormonats, die über eine BIPM-Veröffentlichung namens „Circular T“ an NIST und ähnliche Institutionen gelangen. Als Levine und seine Kollegen den Bericht erhalten, diskutieren sie dessen Auswirkungen und sind sich nicht immer einig. Nach einem kürzlichen Streit – der, wie Levine sagte, auf statistisches Rauschen oder das, was er als „wackelige Wackelbewegungen“ bezeichnet, zurückzuführen war – entschieden sie sich dafür, die sogenannte UTC (NIST) neu zu kalibrieren, damit sie mit der UTC-Position des Vormonats übereinstimmt (oder genauer gesagt, wo). es hätte in der Gegenwart sein sollen). Jemand wurde in den NIST-Raum 2051, den Uhrenraum, geschickt, um die Korrektur zu betreten.

Als ich andeutete, dass Levine und seine Kollegen nicht so sehr die Zeit angeben, sondern sie vorhersagen, nickte er aufgeregt. „Es ist genau eine Prognose!“ Dies gilt insbesondere angesichts der Einführung der sogenannten Rapid UTC vor einigen Jahren, einer wöchentlichen vorläufigen Verbreitung der offiziellen Weltzeit (im Nachhinein betrachtet) durch die Behörden in Frankreich. Das NIST nutzt wie andere Labore diese vorläufige Zeit, um Vorhersagen darüber zu treffen, wo die Zeit in der Zukunft liegen wird, aber wie jede Prognose birgt sie das Risiko, ungenau zu sein. Wenn ich nach Boulder gegangen wäre und erwartet hätte, eine unangreifbare Hauptuhr zu finden, umgeben von druidischen Zeitherren, die ehrfurchtsvoll ihre Ergebnisse verkündeten – die heilige Quelle, die meine Kindheitsfantasie so beflügelt hatte –, war das, was ich stattdessen fand, ziemlich beunruhigend: Zeit, so schien es, ist ziemlich oft aus den Fugen geraten.

Zusätzlich zur Einhaltung der nationalen Zeit hilft NIST bei der Aufrechterhaltung des Internationalen Einheitensystems – Meter, Kilogramm und dergleichen. Sein Hauptquartier befindet sich auf einem weitläufigen, bewaldeten Campus in Gaithersburg, Maryland (der Legende nach wurde es in den sechziger Jahren aus Washington verlegt, um einer Zerstörung durch einen Atomangriff zu entgehen). Die Agentur ist schwer zu kategorisieren. Die Belegschaft besteht aus experimentellen und theoretischen Physikern, ist aber technisch gesehen Teil des Handelsministeriums. Es handelt sich um eine rein beratende, nicht regulierende Einrichtung, und die Standards, nach denen es arbeitet, entsprechen nicht denen, die Sie sich vorstellen können: NIST schreibt Industriegruppen nicht vor, wie stark oder tolerierbar ihre Materialien sein sollten, sondern legt fest, wie stark oder tolerierbar diese sind Diese Materialien sollten gemessen werden. Die Aufgabe der Agentur besteht laut Katrice Lippa, der Leiterin des NIST-Büros für Maß und Gewicht, darin, „den Standard zu veröffentlichen, wie die Inspektoren Geräte testen sollen“. Mit anderen Worten: Es orchestriert die Metastandards.

NIST betreibt Metrologie, die Wissenschaft des Messens. Dort messen Wissenschaftler alles von der Blockchain bis zu Stoffmasken in verschiedenen Maßstäben. Sie verfügen sowohl über das kleinste Lineal der Welt – einen Siliziumchip, der bei der Röntgenbeugung verwendet wird und eine Genauigkeit von 0,000000000000001 Metern hat – als auch über die größte Totgewichtsmaschine der Welt – einen gewaltigen Stapel von 50.000 Pfund schweren Edelstahlscheiben, die bis zu eine Million erzeugen können Pfund Kraft. Wenn Sie wissen möchten, wie sich Granit nach einem Jahrhundert hält, können Sie sich die monumentale Mauer am NIST ansehen, die aus 2.352 Steinen besteht, die größtenteils aus einer Sammlung von Steinbruchproben aus dem 19. Jahrhundert stammen. Möchten Sie einen der letzten erhaltenen Original-Radiumstandards der Welt bestaunen, eine Glasampulle, gefüllt mit 20,28 Milligramm Radiumchlorid, hergestellt von Marie Curie im Jahr 1913? NIST hat es im Keller, eingeschlossen in einer Stahlbadewanne, vergraben unter Bleiziegeln.

NIST ist eine Art Akropolis des Durchschnittlichen, ein Parnassus des Prototypischen. Nirgendwo wird dies deutlicher als in der Abteilung Standard Reference Materials (SRM). Stellen Sie sich ein schlecht beleuchtetes Lagerhaus vor, dessen Metallregale mit Tausenden kleiner Gläser gefüllt sind, deren nüchterne Etiketten Inhalte wie „New Jersey Soil Organics and Trace Elements“, „Oyster Tissue“ und „Domestic Sludge“ verkünden. Jedes messbare Merkmal dieser Materialien wurde endlos untersucht und kalibriert und lieferte Benchmarks für die Prüfung anderer Dinge. Steven Choquette, der Direktor des Office of Reference Materials, nennt sie „Wahrheit in einer Flasche“, von der eine Probe bis zu vierhunderttausend Dollar einbringen kann. In letzter Zeit, sagt Choquette, habe sich die Abteilung auf Biopharmazeutika konzentriert und an NISTs erstem SRM für ein lebendes Material gearbeitet: eine Eierstockzelllinie des chinesischen Hamsters. Es wird auch fleißig an der Entwicklung von „Human Whole Stool“ (in Pulverform) gearbeitet.

Bei all diesen sorgfältig zusammengestellten Artefakten besteht die aufwändigste Arbeit am NIST in der Standardisierung und Kalibrierung von Dingen, die keine Dinge mehr sind: den Maßeinheiten selbst. Das Internationale Einheitensystem – das letztendlich vom BIPM überwacht wird – besteht aus sieben „Basiseinheiten“. Dies sind: das Meter, das Kilogramm, das Ampere, die Candela, das Mol, das Kelvin und die Sekunde. Bis vor relativ kurzer Zeit wurde eine der bekanntesten dieser Einheiten, das Kilogramm, anhand eines physischen Objekts kalibriert. Mehr als ein Jahrhundert lang wurde das Kilogramm durch den International Prototype of the Kilogramm (IPK) realisiert, einen fast vier Zentimeter hohen Platin-Iridium-Zylinder, der in einem Tresor in Frankreich aufbewahrt wurde. Jahrelang transportierten NIST-Forscher Kilogramm-Prototypen ins Ausland, um sie mit dem IPK zu vergleichen. Doch der Transport des Kilogramms birgt das Risiko von Verschleiß, der seine Masse beeinträchtigen könnte. Im Jahr 2019 wurde das Kilogramm anhand des Planckschen Wirkungsquantums definiert – einem aus der Quantenmechanik abgeleiteten harten Wert – und ist damit die letzte Basiseinheit, die ihr physikalisches Artefakt aufgibt.

„Wir haben alle unsere Einheiten dematerialisiert“, sagte Leon Chao, ein NIST-Forscher. „Jetzt leiten sich alle unsere Messungen von universellen Konstanten ab.“ Während des Dematerialisierungsprozesses wurden die Standards demokratisiert – es gab kein „ein Kilogramm“ in einem Pariser Tresor – aber die Messgeräte selbst verloren ihre intuitive Verbindung zu den Dingen, die sie maßen. Kevin Chesnutwood, ein Maschinenbauingenieur bei der Mass and Force Group des NIST, der die Deadweight-Maschine beaufsichtigt, erzählte mir, dass er Schulkindern auf Exkursionen immer sagte: „Hey, wir haben dieses Kilogramm, und wir nehmen es alle paar Jahre mit nach Paris und vergleichen es.“ gegen den Meister.“ Das entmaterialisierte System ist für die Schüler viel schwieriger zu verstehen, deshalb versucht er, sich nicht darauf zu konzentrieren. „Ich meine, verdammt, wir können nicht einmal die Hälfte davon verstehen“, scherzte er.

Von allen Einheiten, an denen NIST-Metrologen arbeiten, hatte nur eine noch nie ein physisches Artefakt: die zweite. Wenn man NIST-Wissenschaftlern zuhört, bekommt man das Gefühl, dass sich Letzteres auch auf andere Weise hervorgetan hat. Theoretisch „könnten die Physiker argumentieren, dass es nur eine Grundeinheit gibt“, sagte mir Chao mit einem Anflug von Zurückhaltung in seiner Stimme. „Und ich denke, das ist Zeit oder Häufigkeit.“

Die Frequenz, deren Basiseinheit Hertz ist, könnte so verstanden werden, dass sie alle anderen Standards unterstützt. „Es ist sehr grundlegend“, sagte Darine El Haddad, Forscherin in der Quantenmessabteilung des NIST. „Wer alles genau messen will, muss in der Frequenz messen.“ Die genaue Messung der Masse wird durch die Frequenz unterstützt, umgekehrt jedoch nicht. Und noch eine letzte Sache sagte mir El Haddad: „Es ist die Einheit, die man am genauesten messen kann.“ Es gibt Uhren, die auf einem Unsicherheitsniveau funktionieren, von dem Metrologen, die mit anderen Einheiten arbeiten, nur träumen können.

In dieser Welt der Metrologie, die die staubigen Archive physikalischer Dinge zugunsten grundlegender Eigenschaften des Universums hinter sich gelassen hat, scheint es eine Art kosmischer Witz zu sein, dass diese immaterielle, vergängliche Einheit diejenige ist, die am genauesten verstanden wird. Dennoch stimmt etwas in der Welt des Zweiten, der Welt der Zeit, nicht. In einer Welt von erstaunlicher Genauigkeit zeichnen sich neue Zeitmesser ab, die noch genauer sein können, Uhren, die über bloße Messungen hinausgehen und neue Untersuchungen zur Zeit, zum Universum selbst, eröffnen. Diese Maschinen haben dazu beigetragen, den schleichenden Verdacht zu schüren, dass die Sekunde – die grundlegende Basiseinheit, auf der unser zeitliches Königreich aufgebaut ist – trotz aller synchronen Aktivitäten der Welt und trotz des Aufkommens von Uhren, deren Treue theoretisch die menschliche Zivilisation selbst überdauern könnte, nicht vorhanden ist so genau verwirklicht werden, wie es sein könnte. Als ich mich auf die Suche nach dem Ursprung der Zeit machte, erfuhr ich, dass genau das, was sie antreibt – die Standardsekunde – fehlerhaft ist.

Was macht eine Sekunde zu einer Sekunde? Für den Geist ist eine Sekunde flüchtig – wenn wir ihr unsere Aufmerksamkeit schenken, ist sie bereits vergangen. Wir wissen es tautologisch: Eine Sekunde ist eine Sekunde, weil unsere Uhren es uns sagen (oder vielleicht zählen wir wie Kinder „eins, eintausend“, mit einer Geschwindigkeit, die wir ungenau für sekundenähnlich halten). Wenn wir darauf drücken, erkennen wir, dass es sich um ein astronomisches Intervall handelt, was auch früher der Fall war. Während eines Großteils des 20. Jahrhunderts basierte die Sekunde auf einem aus astronomischen Berechnungen abgeleiteten Standard des 19. Jahrhunderts: 1/86.400 eines mittleren Sonnentages. Das mag beruhigend einfach und verbindlich klingen, basiert aber auf Künstlichkeit. Aufgrund der Neigung der Erde und ihrer elliptischen Umlaufbahn erzeugt die Bewegung der Sonne am Himmel Tage unterschiedlicher Länge. Um Unstimmigkeiten auszugleichen, wird der mittlere Sonnentag aus der Bewegung einer idealisierten, hypothetischen Sonne abgeleitet. Aufgrund der täglichen Schwankungen der Erdrotation ist dieses Modell jedoch nicht optimal.

Im Jahr 1960 wurde ein neuer Standard – die Ephemeridensekunde – geschaffen, der von der jährlichen Umlaufbahn der Erde im tropischen Jahr 1900 abgeleitet wurde. Ein tropisches Jahr ist die Zeitspanne, die die Erde benötigt, um die Sonne zu umkreisen. Verwirrenderweise (wie bei vielen Dingen in der Zeitwelt) ist sie etwas länger als ein Kalenderjahr. Und wenn das Jahr 1900 für einen im Jahr 1960 erstellten Standard eine seltsame Wahl zu sein scheint, stellt sich heraus, dass es das erste Jahr ist, das in dem einflussreichen Buch Tables of the Motion of the Earth on Its Axis and Around the Sun aus dem Jahr 1898 verzeichnet ist, das vom Kanadier verfasst wurde. Amerikanischer Astronom Simon Newcomb.

Die Ephemeridensekunde war weniger anfällig für Variationen, hatte aber eine große Einschränkung: Sie konnte nicht in Aktion gesehen werden. „Aus Sicht der praktischen Messtechnik war es eine Katastrophe“, sagte Levine. „Okay, die Sekunde wird anhand der Länge des Jahres 1900 definiert – was soll ich damit machen?“ Im Jahr 1967 wurde es auf der dreizehnten Conférence générale des poids et mesures für „unzureichend für die gegenwärtigen Bedürfnisse der Metrologie“ erklärt.

Bis dahin hatte die Welt große Fortschritte in Richtung der Atomzeit gemacht. Die Idee, Frequenzen durch die Schwingung von Wasserstoff- oder Natriumpartikeln zu markieren – was versprach, die Launen des Himmels gegen die unveränderlichen Frequenzen von Atomen einzutauschen – wurde seit dem 19. Jahrhundert theoretisiert. 1949 war die erste Atomuhr in Betrieb. Ein Jahrzehnt später unterstützte eine Cäsiumuhr am NIST den US-Frequenzstandard. Als die Conférence 1967 die Ephemeridensekunde endgültig abschaffte, definierte sie die Sekunde neu als „die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinniveaus des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht“.

Dies ist die unergründliche, hyperpräzise, ​​moderne Sekunde, die unser heutiges Leben bestimmt. Es stellt den Höhepunkt der mehr als einhundertjährigen Bemühungen dar, die Zeitfrequenz zu standardisieren und zu synchronisieren und sie sogar zu einer Ware zu machen. Wie der Historiker Peter Galison in Einsteins Uhren und Poincarés Karten feststellt, wurden Minutenzeiger erst im 19. Jahrhundert zu einem allgemeinen Merkmal von Uhren. Die Zeit war fließend und lokalen Eigenheiten unterworfen; Den Fahrgästen an französischen Bahnhöfen stand eine Vielzahl unterschiedlicher Zeitanzeigen zur Verfügung (Ortszeit, Pariser Zeit, Zugzeit). Aber im späten 19. Jahrhundert wurde Genauigkeit hochgeschätzt. Pariser Besitzer von pneumatischen Uhren, die durch durch Rohre geschickte Druckluftstöße kalibriert wurden, machten sich Sorgen über die fünfzehn Sekunden, die die Luft brauchte, um die Uhren zu erreichen. „Die synchronisierte Zeit griff in das Leben der Menschen ein, wie es Elektrizität, Abwasser oder Gas taten“, schreibt Galison, „als zirkulierende Flüssigkeit des modernen städtischen Lebens.“ Die Uhr wurde zur „Schlüsselmaschine des modernen Industriezeitalters“, wie Lewis Mumford schrieb, und ermöglichte die enorme Ausweitung der kapitalistischen Produktionsweise. Die ungleichmäßige, unregelmäßige Erfahrung der Zeit – was Henri Bergson als durée bezeichnete – wich einer Erfahrung der Zeit als einer reglementierten, „unabhängigen Welt mathematisch messbarer Sequenzen“.

Es gibt Uhren im NIST-Labor in Boulder, die den Prognosen zufolge in dreihundert Millionen Jahren weder eine Sekunde verlieren noch zunehmen werden. Aber wer braucht diese unglaubliche Präzision, diese unendliche Pünktlichkeit? Vergessen Sie die Millisekunde: Die meisten von uns sind, wie Levine mir sagte, nicht einmal „Ein-Sekunden-Menschen“. Nur wenige Dinge im Leben sind derart aufeinander abgestimmt – wir kommen nicht in Abständen von weniger als einer Minute zu einem Arzttermin oder einer Bushaltestelle und denken dabei nach. Es wird angenommen, dass das menschliche Bewusstsein für jeden einzelnen Moment bei einer Zehntelsekunde sein Maximum erreicht. (Die Psychologie des 19. Jahrhunderts nannte dies „die persönliche Gleichung“.) Nach eigenen Angaben weicht die Zeitskala des NIST „typischerweise um weniger als drei Milliardstel Sekunden von UTC ab“, ein Fehler, der weit über die Wahrnehmung der meisten hinausgeht. NIST-Verkehr erfolgt im Nanosekundenbereich, einer Zeiteinheit, die nur von Maschinen verstanden wird und nur für „ernsthafte Benutzer“ relevant ist, wie Levine sie nennt, diejenigen, die sich „auf der Nanosekundenebene interessieren“, wie Wall-Street-Händler, die mehr als tausend Dollar zahlen pro Monat, um ein genaueres Zeitbild zu haben als die breite Öffentlichkeit.

Aber auch für den Rest von uns spielt Letzteres eine größere Rolle, als wir vielleicht denken. Denken Sie an GPS: Es ermöglicht nicht nur eine Reihe wesentlicher Dienste in unserem täglichen Leben – das Navigationssystem unseres Autos, unsere Fitbits, unsere Smartphones –, es ist auch eines der Mittel, mit denen die Standardzeit auf der ganzen Welt verteilt wird (die mehreren Dutzend Satelliten, die dies ermöglichen). (jeder, der das System einrichtet, behält seine eigenen Zeitskalen bei.) Die Synchronisierung von Uhren aus der Ferne ist seit langem ein Problem. Vor einigen Jahrzehnten erforderte der Vergleich der Hauptuhren des NIST mit dem Zeitstandard einen Flug nach Paris mit zwei fünfzig Pfund schweren Iridiumuhren als Handgepäck. Ungefähr zweimal im Jahr reisten Levine oder einer seiner Kollegen von Boulder nach Frankreich und machten einen Zwischenstopp in Washington Dulles, um die Uhren mit den Zeitmessern des Naval Observatory zu vergleichen. In Paris angekommen eilte Levine zu den Büros des Bureau International de l'heure (die Uhren hatten eine Batterielebensdauer von vierundzwanzig Stunden). Dort würden die Uhren verglichen – nicht durch etwas so Grobes wie das menschliche Auge, sondern durch eine spezielle Maschine, die als Zeitintervallzähler bekannt ist. Wenn die Uhren so synchronisiert waren, würde Levine nach Boulder zurückkehren. Er tat dies jahrelang, bis die Luftwaffe 1978 den ersten GPS-Satelliten startete.

Damit GPS funktioniert, ist ein äußerst genaues Timing erforderlich: Eine Genauigkeit von fünfzehn Metern erfordert eine Präzision in der Größenordnung von fünfzig Nanosekunden. Die 5G-Netze, die unsere Mobiltelefone mit Strom versorgen, erfordern eine immer präzisere Synchronisierung mit den Mobilfunkmasten, sonst werden Anrufe unterbrochen. Mittlerweile sind zunehmend vernetzte Stromnetze auf eine nahezu verzögerungsfreie Zeitsteuerung angewiesen, um eine effiziente Stromversorgung zu gewährleisten und Netzwerkausfälle zu vermeiden. Jeder Online-Spieler kennt die Latenz seines Systems, gemessen in Millisekunden. Und wie Mumford hätte vorhersagen können, ist die Zeit nirgendwo so zum Fetisch geworden wie im Finanzsektor, seit im letzten Jahrzehnt der algorithmische Hochfrequenzhandel aufgekommen ist. Donald MacKenzie, der Autor von Trading at the Speed ​​of Light, schätzte im Jahr 2019, dass ein Handelsprogramm Marktdaten empfangen und innerhalb von vierundachtzig Nanosekunden oder vierundachtzig Milliardstelsekunden einen Auftrag auslösen könnte. Das ist ein großer Unterschied zu den Neunzigerjahren, als viele Uhren bei Brokern zeitgestempelte Transaktionen mit einer Granularitätsebene von einer Minute abwickelten. Nein, wir sind keine „Ein-Sekunden-Menschen“. Wir leben in einer Welt, die sich viel schneller bewegt.

Das schlagende Herz der Zeit des Landes ist die NIST-F1, eine der Cäsiumbrunnenuhren, die dabei helfen, den Standardtick aufrechtzuerhalten. Es hat eine Steampunk-Atmosphäre, alles aus Kupfer und Aluminium sowie Drähten und Rohren; Auf einem Scherzschild in der Nähe steht, dass das Spielen im oder um den Brunnen verboten ist. Wie Elizabeth Donley, die Leiterin der Zeit- und Frequenzabteilung des NIST, es beschrieb, wird eine Kugel aus Cäsiumatomen, die in ein Vakuum gebracht und mit Lasern gekühlt wird, nach oben geschleudert und fällt durch eine röhrenförmige Kammer wie in einem Brunnen wieder nach unten Mitten auf ihrer Reise werden sie von einer Reihe von Mikrowellen „verhört“. „Dann erkennt man die Atome am Ende, um zu sehen, ob sie ihren Zustand geändert haben“, sagte Donley, was dadurch erreicht wird, dass man sie mit einem Laser untersucht, um zu sehen, ob sie Licht emittieren. Die Abfragemikrowelle wird so eingestellt, dass sie mit den Atomen in Resonanz tritt. Wenn diese Resonanz erreicht ist, zählt NIST mit einem anderen Instrument die unglaublichen 9.192.631.770 Perioden des Mikrowellenfelds. Das ist die Frequenz, die 1967 in Frankreich eingeführt wurde; mit anderen Worten, das zweite, wie wir es kennen.

NIST-F1 läuft nicht ständig. Donley sagte, es fungiere eher als „Stimmgabel“, die die Maser oder Mikrowellenlaser kalibriert und dabei hilft, sie synchron zu halten. Maser sind Teil des Zeitrahmens zur Bestimmung des nationalen Standards. Tatsächlich gibt es in den Vereinigten Staaten keine einzige Uhr, die die offizielle Zeit anzeigt. NIST verfügt über ein Ensemble von etwa zwanzig Atomuhren, hauptsächlich Maser- und einige Cäsiumuhren, die über den gesamten Campus verteilt sind, um im Falle eines Ausfalls Redundanz zu gewährleisten. Diese werden alle in einen kleinen Raum eingespeist, der mit blinkenden Maschinen gefüllt ist. Jeff Sherman, ein Forscher in der Time Realization and Distribution Group des NIST, erklärte, dass alle eingehenden Signale – von denen keines, wie er sagte, „die absolut richtige Frequenz“ habe – zur Berechnung einer Art gleitendem Durchschnitt verwendet würden, wobei der gleitende Durchschnitt vorhersehbarer sei Uhren eine höhere Gewichtung gegeben. Er zeigte auf eine Reihe blinkender Lichter. „Diese Geräte sind wirklich einfach“, sagte er. „Sie zählen einfach fünf Millionen Schwingungen, lassen ein Licht aufblitzen und zählen fünf Millionen Schwingungen.“ Er wies auf ein bestimmtes blinkendes Licht hin, das, wie er bemerkte, „den Beginn des zweiten in den Vereinigten Staaten anzeigt“.

Auch wenn die F1 weder wie eine herkömmliche Uhr aussieht noch ständig läuft, unterscheidet sie sich im Großen und Ganzen nicht so sehr von anderen Zeitmessern. „Wir markieren die Zeit, indem wir periodische Ereignisse zählen“, sagte Donley. „Ob es die Erde ist, die die Sonne umkreist, um ein Jahr zu erzeugen, oder die Erde, die sich dreht, um einen Tag zu erzeugen, oder ein Pendel, das schwingt.“ Dieser hier zählt zufällig die etwa neun Milliarden Male, in denen ein Alkalimetall angeregt wird, und nennt das eine Sekunde. Sherman erzählte mir, dass in den zwanziger Jahren Forscher auf der Suche nach einem besseren Resonator für Radiofrequenzen auf Quarzkristalle stießen, die mit einer allgemein zuverlässigen Frequenz schwingen. „Es ging zu den Rennen“, sagte er. Bald darauf erschienen Quarzuhren. Die Idee bestand darin, Objekten zu vertrauen, deren interne Rhythmen stabiler waren als die der Erdbewegung. Und die stabilsten Objekte sind Atome. Was sie aus Sicht der Zeitmessung so attraktiv macht, erklärt Sherman, ist, dass „der Wasserstoff in Boulder derselbe ist wie der Wasserstoff in Paris und er ist derselbe wie der Wasserstoff, den wir in zwanzig Jahren bekommen könnten.“ Sie benötigen keine Batterien, sie nutzen sich nicht ab. Sie verändern sich nicht, wenn man sie betrachtet – jedenfalls nicht in ihrer Struktur.“

Sherman verglich Atome mit Glocken. Beim Anschlagen aller Glocken erklingt ein Ton, dieser Ton variiert jedoch je nach Form der Glocke. Wenn Atome getroffen werden, erzeugen sie geladene Energie; Die Wellenlängen dieser Energie variieren je nach Form des Atoms. Die Frequenz, mit der ein Atom wie Cäsium schwingt, sei „irgendwie willkürlich und hat nichts mit der Sekunde, der Stunde oder der Minute zu tun.“ Wir haben gerade beschlossen, dass wir die Zeit zählen, indem wir diese Schwingungen zählen.“

Als die Zeit auf der Astronomie basierte, war die Frequenz laut Levine eine „abgeleitete Größe, die implizit durch astronomische Beobachtungen definiert wurde“. Das begann sich zu ändern, als neue Technologien wie Radiowellen aufkamen, die mehr von der Frequenz (wie viele Ereignisse ereigneten sich in einem bestimmten Zeitraum) als von der Zeit selbst (einer Möglichkeit zur Markierung, wann Ereignisse geschehen) abhingen. Wenn Sie zum Beispiel KROQ-FM in Los Angeles hören, bei 106,7 auf dem Radiosender, werden die Radio-Sinuswellen, die diese Musik antreiben, mit 106.700.000 Zyklen pro Sekunde ausgepumpt; Ihr Radiotuner, der auf diesen Sender eingestellt ist, wird auf derselben Frequenz schwingen. Mit dem Aufkommen der Frequenz und der Quantenmechanik begann man, die Zeit von Grund auf zu konstruieren, indem man die verschwindend kleinen Frequenzen von Atomen nutzte, statt von oben, indem man die Bewegung von Himmelsobjekten nutzte. All dies macht die Formel 1 erstaunlich genau: Sie gewinnt oder verliert alle 100.000.000 Jahre nur eine Sekunde. Seit den Tagen, als die Zeit astronomisch definiert wurde, hat sich die Genauigkeit der Sekunde schätzungsweise um eine Größenordnung von acht erhöht.

Angesichts unserer exquisit realisierten Sekunde könnte man annehmen, dass sich die Zeit- und Frequenzleute anderen Dingen zugewandt haben. Aber der zweite leidet immer noch unter zwei deutlichen Problemen. Die erste ist eine der Kontinuität. Jedes Mal, wenn die Sekunde neu definiert wurde, wurde versucht, sie typischerweise durch langwierige Berechnungen mit früheren Versionen der Sekunde zu verknüpfen. Trotz der Dominanz der Atomzeit gibt es immer noch astronomische Zeitskalen, und beide werden im Einklang gehalten. Levine glaubt, dass die letzte Übergabe einige Probleme aufgeworfen hat. „Cäsiumuhren begannen im Vergleich zur astronomischen Zeitskala sofort schnell zu laufen“, sagte er. Aus diesem Grund musste die internationale Zeitgemeinschaft periodische Schaltsekunden in die Skala einfügen. Die Atomzeit bleibt im Wesentlichen für eine volle Sekunde stehen, um der astronomischen Zeit Zeit zu geben, aufzuholen. (Zusätzlich zur Verwirrung schlagen einige Uhren zweimal 23:59:59, während andere bei 24:00:00 pausieren.) Nicht jeder macht es so. „Orte wie Google zum Beispiel verschmieren alles“, erzählte mir Donley. Mit anderen Worten: Anstatt die Zeit anzuhalten, werden sie die Frequenz der Atomuhren subtil anpassen, „um aufzuholen“.

Das zweite, substanziellere Problem besteht darin, dass die Genauigkeit der aktuellen Cäsium-Fontänenuhren am NIST seit ihrer Einführung um den Faktor zehn gestiegen ist, es jedoch eine neue Generation optischer Uhren gibt, die laut Donley etwa das Hundertfache erreichen noch genauer. Optische Uhren funktionieren ähnlich wie Atomuhren, mit dem Unterschied, dass die abfragenden Wellen aus einer optischen Frequenz – also Licht – bestehen, die etwa hunderttausend Mal höher ist als die von Mikrowellen. Je mehr Ticks, desto mehr Informationen, desto präziser.

In der Welt der optischen Uhren herrscht ein heftiger Konkurrenzkampf, und jede Forschungsgruppe wirbt für ihr bevorzugtes Element – ​​Ytterbium! Strontium! Quecksilber! – als die einzig wahre Frequenz. Jeder hat seine eigenen Tugenden und Schwächen. Einige sind teurer, andere einfacher zu bedienen. Strontiumuhren sind stabil, was für Präzisionsmessungen von Vorteil ist. Aluminiumionen weisen eine der geringsten systematischen Unsicherheiten auf, die Messung dauert jedoch lange. „Es ist eine wirklich seltsame Situation, dass wir so viele Uhren haben, die besser funktionieren als der Standard“, sagte David Hume, ein NIST-Physiker, der an einer Aluminium-Ionen-Uhr arbeitet. „Das ist nicht normal, wenn man an neuen Messstandards arbeitet.“

Und so hat in den Laboren, Konferenzen und Zoom-Anrufen der Welt der Messtechnik erneut eine Diskussion darüber begonnen, wie der Standard neu definiert werden kann. Levine hat die Optionen aufgeschlüsselt. „Erstens: Jeder hat seine Lieblingsuhr und wir erklären eine zum Gewinner, alle anderen zu ‚sekundären Darstellungen‘, die auf dem 99-Prozent-Niveau gleich sind“, sagte er. „Nummer zwei: Ich nehme den Durchschnitt aller Gewinner und das ist der Gewinner. Drittens definiere ich keinen Frequenzstandard mehr.“ Mit anderen Worten: Definieren Sie die Frequenz indirekt durch eine andere Konstante, beispielsweise die Masse des Elektrons – außer, sagt er, dass wir keines dieser Dinge genau genug messen können. „Meine persönliche Stimme“, sagte er, „ist für die erste Wahl.“

Es ist unwahrscheinlich, dass wir vor Ende des Jahrzehnts eine neue Standard-Sekunde sehen werden. Es muss noch ein internationaler Konsens erzielt werden, die optischen Uhren sind noch Prototypen und es ist unmöglich, Uhren an verschiedenen Standorten zu vergleichen, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen. Und für die Bedürfnisse der heutigen Industrie und Gesellschaft ist die aktuelle Sekunde in Ordnung. Aber wer weiß, welche Technologien kommen werden und welche Präzision sie erfordern werden?

Doch je genauer die Zeit gemessen wird, desto weniger fühlt sie sich überhaupt wie Zeit an. Hochmoderne Zeitmesser zählen, wie Sherman mir sagte, „nicht wirklich Sekunden“, zumindest nicht in dem Sinne, wie wir es kennen würden. Vielmehr vergleichen Physiker, die Probleme höherer Ordnung untersuchen, „die Raten verschiedener Glocken“. Sie wollen die Struktur eines Atoms untersuchen und müssen das Klingeln mit unserem Klingeln vergleichen, das einer Art Standard unterliegt.“ Er schlug vor, dass subtile Variationen dieser Zecken Türen zu „neuer Physik“ öffnen könnten, was uns vielleicht dabei helfen könnte, Phänomene wie die Dunkle Materie besser zu verstehen, diesen mysteriösen Körper, der etwa 85 Prozent der Gesamtmasse des Universums ausmacht. „Eine auf eine Sekunde genaue Uhr über das Alter des Kosmos hinweg“, wird Patrick Gill, ein Physiker am britischen National Physical Laboratory, im New Scientist zitiert, „würde Tests ermöglichen, ob sich physikalische Gesetze und Konstanten im Laufe des Universums verändert haben.“ Geschichte."

Vorerst können solche Uhren zumindest die alte Physik bestätigen. „Wenn Sie diese Uhr um einen Zentimeter anheben würden“, sagte Hume zu mir, „könnten Sie einen Unterschied in der tickenden Geschwindigkeit erkennen.“ Der Grund liegt in Einsteins Relativitätstheorie: Die Zeit unterscheidet sich je nachdem, wo man sie erlebt. Wenn Sie aufrecht stehen, existiert Ihr Kopf in einer etwas anderen Zeitskala als Ihre Füße. Doch mit dieser Genauigkeit geht eine ernüchternde Realität einher. „Es gibt nicht nur zwei Zeiten“, stellt der Physiker Carlo Rovelli in „The Order of Time“ fest. „Die Zeiten sind Legion: für jeden Punkt im Raum eine andere.“ Was wir über die Gegenwart denken, „erstreckt sich nicht auf das gesamte Universum“, schreibt er. Vielmehr „ist es wie eine Blase um uns herum.“ Das „klar definierte Jetzt“, wie er es nennt, „ist eine Illusion.“

Die Relativitätstheorie wirft die Frage auf, ob wir jemals endgültig und unbestreitbar wissen können, wie spät es ist, oder ob es überhaupt Sinn macht, danach zu fragen. Bei mehr als einer Gelegenheit kamen wir in meinen Gesprächen mit Physikern auf ein heikles Thema über die Zeit, und sie hielten inne und sagten etwas in der Art: „Nun, jetzt wird es philosophisch.“ Aber sie würden sich unweigerlich in den sicheren Hafen der Metrologie zurückziehen. „Was wir über die Zeit denken“, wie es im NIST-Buch „From Sundials to Atomic Clocks“ heißt, „ist für ihre Definition weniger wichtig als die Art und Weise, wie wir sie messen.“ Ich war auf der Suche nach Gewissheit, fand aber immer wieder das Gegenteil. „In der Messtechnik“, sagte Chao, „ist die Frage, was letztendlich Ihre Unsicherheit ist?“ Bei der Genauigkeit beim Messen des Kilogramms oder der Sekunde geht es vielleicht weniger darum, zu wissen, dass man Recht hat, als vielmehr darum, eine quälend genaue Vorstellung davon zu haben, wie oft man wahrscheinlich falsch liegt.

Gegen Ende meines Besuchs erklärte Sherman in dem kleinen Raum, in dem Wasserstoffmaser die genaue Gesamtzeit, in der wir jetzt leben, herauspumpen, die verschiedenen Probleme, mit denen eine Uhr konfrontiert sein kann – Temperatur, Magnetfelder, Luftfeuchtigkeit. Dabei handelte es sich um technische Probleme mit technischen Lösungen. Aber wie bei scheinbar jedem Aspekt der Zeitmessung gab es eine Einschränkung. Die Ableitung der Zeit aus Atomen, sagte Sherman, sei durch die Tatsache begrenzt, dass man bei der Messung eines Atoms eine einzige Information erhalte – ob es sich in seinem Grundzustand befinde oder nicht. „Wenn man eine endliche Anzahl von Atomen hat“, sagte er, „kann man nur eine begrenzte Menge an Wissen über die Frequenz haben.“ Selbst wenn wir alle Atome im Universum irgendwie dazu bringen könnten, zwei Uhren zu bauen, „werden sie sofort um einen sehr kleinen Betrag abweichen.“ Alle Uhren weichen.

„Also, was machst du dagegen?“ fragte Sherman und wartete nicht auf meine Antwort. Letztlich wird die Zeitmessung durch das Zählen periodischer Prozesse immer grundlegende Einschränkungen haben. „Dieser statistische Aspekt der Quantenmechanik wirft eine weitere Sache in den Müll, nämlich eine konzeptionell perfekte Uhr“, sagte er. „Es kann nicht existieren.“

Eine wöchentliche E-Mail, die sich mit der unerbittlichen Absurdität des 24-Stunden-Nachrichtenzyklus befasst.

ist der Autor von „Beginners: The Joy and Transformative Power of Lifelong Learning“.

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