Das Rätsel hinter Galileis Pendel: Warum schlägt das Meter die Sekunde?

Im 17. Jahrhundert schlug ein italienischer Wissenschaftler namens Livio Burattini vor, das Pendel, das die Sekunde schlägt, als Maßeinheit für die Länge zu verwenden. Dieses Maß bezeichnete er als „Meter“, abgeleitet von dem griechischen Wort μέτρο, das „Maß“ bedeutet. Der Übergang zur Lichtgeschwindigkeit als universelle Maßeinheit fand erst nach der Französischen Revolution statt, als man versuchte, ein internationales Übereinkommen zu schaffen.

Wer hat das „Meter“ erfunden?

Die Antwort auf diese Frage ist überraschend einfach: Der Begriff „Meter“ stammt von μέτρο, was im Griechischen „Maß“ bedeutet, und wurde 1675 von Tito Livio Burattini aus Belluno in seinem Werk „Misura Universale“ als Referenzmaß vorgeschlagen.

Livio Burattini gilt als eine der vergessenen Figuren der italienischen Wissenschaftsgeschichte, betroffen von dem, was man die „Eustachio-Syndrom“ nennt, einer chronischen Vergesslichkeit, die viele Pioniere, Innovatoren und bedeutende Wissenschaftler betrifft, die in der Geschichtsschreibung oft unbeachtet bleiben. Im Zeitalter des 17. Jahrhunderts, inmitten großer kultureller und wissenschaftlicher Umwälzungen, war Burattini ein Ägyptologe, der Jahre damit verbrachte, Obelisken zu vermessen – eine nicht gerade einfache Aufgabe für seine Zeit.

Nach dieser Erfahrung zog er nach Polen, wo er in Kontakt mit Stanislaw Pudlowski trat, einem Schüler von Galileo Galilei. Diese Verbindung war entscheidend, da sie Burattinis wissenschaftliche Aktivitäten nachhaltig beeinflusste.

Burattinis wissenschaftliche Errungenschaften

Der gebürtige Bellunese (1617-1681) dachte auch über eine Flugmaschine nach. Im galileianischen Museum befindet sich eine „Additionsmaschine“ für Münzen, die Burattini Ferdinand II. von Medici schenkte. Trotzdem besaß er, trotz seiner Vielzahl an Erfindungen, nicht das Urheberrecht an der Rechenmaschine, die Pascal für seine bekannteste Erfindung, die „Pascaline“, einnahm.

Burattini beschäftigte sich auch mit Linsen und Optik sowie mit Astronomie. Er schloss sich Galileis Werk an und schlug den Namen „Meter“ für die Länge eines Pendels vor, das eine Sekunde schlägt. Um das unerwartete Verhältnis zwischen Längeneinheit und Zeit zu verstehen, muss man bedenken, dass Galilei das Isokronismus-Phänomen des Pendels entdeckte, was ein jahrhundertealtes Rätsel für die Wissenschaft auflöste: die Unzuverlässigkeit und Ungenauigkeit von Uhren.

Die Geschichte der Zeitmessung

Zur Veranschaulichung zitiere ich hier fünf Teile, die ich der Geschichte der Zeitmessung und des Sekundenmaßes gewidmet habe, um das jahrtausendealte Rätsel zu rekonstruieren, das durch eine Technologie entstanden ist, die zwischen Norditalien und Süddeutschland entwickelt wurde. Es ist kein Zufall, dass diese beiden geografischen Regionen auch heute noch für ihre Uhrentürme bekannt sind. In Städten wie Mailand gibt es die geschichtsträchtige Via delle Ore, die seit dem Mittelalter so benannt ist, weil man beim Gehen auf dieser kurvenreichen Straße nahe dem Dom die Glocken hörte, die Azzone Visconti im 14. Jahrhundert für die Kirche San Gottardo bauen ließ.

1. Wer hat die moderne Uhr erfunden? Galilei, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen (obwohl ihm dies nicht gelang).
2. Umberto Ecos „Die Insel des vorherigen Tages“ und das Dilemma der Längengrade. So erfand die britische Marine die „Globalisierung“.
3. Der Fehler der „New York Times“ von 1909, der den Norweger Amundsen (mit einer kleinen Lüge und einer Uhr) zum Erreichen des Südpols brachte.
4. Hier ist die Uhr, die Einsteins Relativität bestätigte (und die wir alle täglich beim Nutzen von Google Maps verwenden).
5. Von Degas’ Pferderennen bis zu Dalís geschmolzenen Uhren: So beschleunigte die Zeit unsere Gesellschaft durch Kunst und Freizeitbeschäftigungen.

Übrigens führt der bedeutende Wirtschaftshistoriker Carlo M. Cipolla die Ursprünge der präzisen mechanischen Industrie in Europa auf die ersten Uhrmacher zurück. Diese waren eine Weiterentwicklung der Hersteller von Bombarden und Kanonen, die gelernt hatten, Metalle präzise zu bearbeiten (siehe: Le macchine del tempo. L’orologio e la società. 1300-1700).

Zurück zur Frage des „Meters“

Livio Burattini, der in Kontakt mit Galileis Pendelforschung trat, wollte also diesen entscheidenden wissenschaftlichen Entschluss nutzen, um ein „universelles“ System zur Messung des Meters an jedem Ort der Welt zu schaffen. Der Titel seines Traktats lautete dementsprechend: „Misura Universale“. Kurz gesagt, Burattini empfahl jedem Menschen, der an einem beliebigen Ort war, dass er ein Pendel, das die Sekunde schlägt, verwenden soll, um mit seiner Länge ein Meter zu messen.

Ein geniales System, wäre da nicht das Problem, dass es nicht funktionierte. Auch wenn Galilei keine Gelegenheit hatte, dies zu testen, hängt das Isokronismus des Pendels nicht nur von seiner Länge ab, sondern auch von der Schwerkraft, die nicht konstant ist. Diese variiert je nach Höhe und Breite – es ist also anders, ob man sich in Paris oder in der Nähe des Äquators befindet.

Christiaan Huygens, der im Wesentlichen der Wissenschaftler war, der das Isokronismus des Pendels auf die Unruh von Uhren anwandte, bewies, dass zwei identische Pendel in Paris und Cayenne, Französisch-Guayana, jeden Tag um zwei Minuten abweichen.

Die Schwerkraft wird auch von vertikal verteilten Erden beeinflusst, wie z.B. von nahegelegenen Bergen, denn alle Massen haben eine eigene Gravitation (auch unsere Körper erzeugen eine, die zwar kaum wahrnehmbar ist). Diese Entdeckung kam jedoch erst viel später, insbesondere im berühmten historischen Fall des Versuchs, die Mason-Dixon-Linie zu bestimmen und die geografischen Streitigkeiten zwischen Pennsylvania und Maryland zu klären. Dies erzählte ich hier: „Wissenschaftsgeschichte von Pennsylvania, Zeiger der Präsidentschaftswahlen: Hier entstand das ‚GPS ante litteram‘, das die Sklaven befreite.

Die Entwicklung des Meters und seine Definition

In jedem Fall wäre Livio Burattini nicht in der Lage gewesen, das Rätsel des Meters, das die Sekunde schlägt, zu lösen. Denn trotz dieses genialen, jedoch ineffektiven Versuchs, zwei internationale Maßeinheiten zu vereinen, lebten das von Burattini postulierte Meter und die Sekunde in weiten Teilen parallel nebeneinander.

Seit 1983 wird das Meter nicht mehr durch eine physische Probe, wie den Platin-Iridium-Stab eingeführt 1889 definiert, sondern wurde als die im Vakuum zurückgelegte Distanz des Lichtes in einem Intervall von 1/299.792.458 Sekunden neu formuliert. Es ist bekannt, dass die maximale Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine Konstante ist (c in Einsteins berühmter Formel zu Energie und Masse) und 299.792,458 km pro Sekunde beträgt. Damit beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde 299.792.458.

Indem man eine Sekunde durch 299.782.458 teilt, erhält man die Zeit, die das Licht benötigt, um unseren Meter zu füllen.

Weniger bekannt ist, dass vor dem Licht und sogar vor der physischen Stabprobe des Meters auch die metrische Revolution durch die Französische Revolution beeinflusst wurde. Am 26. März 1791 definierte die Nationalversammlung das Meter als ein Zehntausendmillionstel eines Meridianbogens, der vom Nordpol bis zum Äquator verläuft. Dies war, zusammen mit Burattinis Versuch, einer der Vorläufer der Globalisierung, nämlich der Versuch, universell unbestreitbare Maße für alle zu schaffen (obwohl diese Entscheidung anfangs die jahrhundertealte diplomatische Arbeit um das Meter zerschlug, da die Anglo-Sachsen mit der französischen zentralistischen Haltung unzufrieden waren).

Die Grandeur der Franzosen fügte diesem Vorhaben in der Tat ein nicht-wissenschaftliches Element hinzu: dieser Meridianbogen sollte durch Paris verlaufen. Schade, dass alle Meridiane gleich sind und man also überall hindurchgehen kann. Aber das war nicht das Problem. Diese Definition basierte auch hier auf einer falschen Überzeugung, nämlich dass die Meridiane 20.000 km lang seien (man orientierte sich an einer runden Zahl). Wie sich herausstellte, war dies keine präzise Maßangabe: Die Meridiane sind in Wirklichkeit 20.004,5 km lang. Somit erwies sich der lange Versuch (bereits in der Antike), den internationalen Bezugspunkt an ein physisches Element der Erde zu binden, als vergeblich. Doch seltsamerweise kam das Meter der Französischen Revolution dem Meter, das Burattini definierte, erstaunlich nahe. Vielleicht wollten wir uns nach einem so komplexen Spiel des Schicksals davon überzeugen.