Uhr des langen Jetzt

Ich möchte eine Uhr bauen, die einmal im Jahr tickt. Der Jahrhundertzeiger rückt einmal alle hundert Jahre vor, und der Kuckuck kommt zum Jahrtausendwechsel heraus. Ich möchte, dass der Kuckuck die nächsten 10.000 Jahre lang jedes Jahrtausend herauskommt. Wenn ich mich beeile, sollte ich die Uhr rechtzeitig fertigstellen, um den Kuckuck zum ersten Mal herauskommen zu sehen.

– Danny Hillis, „The Millennium Clock“, Wired Scenarios, 1995

Die grundlegenden Designprinzipien und Anforderungen an die Uhr sind:

1. Langlebigkeit: Die Uhr sollte auch nach 10.000 Jahren noch genau gehen und darf keine wertvollen Teile (wie Juwelen, teure Metalle oder spezielle Legierungen) enthalten, die geplündert werden könnten.
2. Wartbarkeit: Zukünftige Generationen sollten in der Lage sein, die Uhr, wenn nötig, mit nichts weiter als bronzezeitlichen Werkzeugen und Materialien am Laufen zu halten.
3. Transparenz: Die Uhr sollte verständlich sein, ohne sie anzuhalten oder zu zerlegen; keine Funktionalität sollte undurchsichtig sein.
4. Evolvierbarkeit: Es sollte möglich sein, die Uhr mit der Zeit zu verbessern.
5. Skalierbarkeit: Um sicherzustellen, dass die endgültige große Uhr richtig funktioniert, müssen kleinere Prototypen gebaut und getestet werden.

Ob die Uhr tatsächlich so lange gepflegt und gewartet wird, ist fraglich. Hillis wählte das Ziel von 10.000 Jahren, um gerade noch im Rahmen der Plausibilität zu liegen. Es gibt technologische Artefakte, wie z.B. Fragmente von Töpfen und Körben, aus der Vergangenheit von 10.000 Jahren, also gibt es einen Präzedenzfall für menschliche Artefakte, die so lange überleben, obwohl nur sehr wenige menschliche Artefakte kontinuierlich für mehr als ein paar Jahrhunderte gepflegt wurden.

Energieüberlegungen

Viele Optionen wurden für die Energiequelle der Uhr in Betracht gezogen, aber die meisten wurden verworfen, weil sie die Anforderungen nicht erfüllen konnten. Zum Beispiel würden Atomkraft und Solaranlagen die Prinzipien der Transparenz und Langlebigkeit verletzen. Letztendlich entschied sich Hillis dafür, ein regelmäßiges menschliches Aufziehen eines Fallgewichtsdesigns zur Aktualisierung des Ziffernblatts zu verlangen, da das Uhrendesign bereits eine regelmäßige menschliche Wartung voraussetzt.

Die Uhr ist jedoch so konzipiert, dass sie auch dann die Zeit hält, wenn sie nicht aufgezogen wird: „Wenn es für lange Zeiträume keine Aufmerksamkeit gibt, nutzt die Uhr die Energie, die durch die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht auf dem Berggipfel oben eingefangen wird, um ihren Zeithalteapparat anzutreiben.“

Überlegungen zur Zeitmessung

Der Zeitmessungsmechanismus für eine solche langlebige Uhr muss sowohl zuverlässig und robust als auch genau sein. Zu den Optionen, die als Quellen für die Zeitmessung der Uhr in Betracht gezogen, aber verworfen wurden, gehörten:

Eigenständige UhrenBearbeiten

Die meisten dieser Methoden sind ungenau (die Uhr verliert langsam die korrekte Zeit), aber zuverlässig (das heißt, die Uhr wird nicht plötzlich aufhören zu funktionieren). Andere Methoden sind genau, aber undurchsichtig (d. h. die Uhr ist schwer zu lesen oder zu verstehen).

• Schwerkraftpendel (auf lange Sicht ungenau und erfordert viele Ticks, was zu Verschleiß führt)
• Torsionspendel (weniger Ticks, aber weniger genau)
• Unruh (ungenauer als Pendel)
• Wasserfluss (ungenau und nass)
• Feststofffluss (ungenau)
• Verschleiß und Korrosion (sehr ungenau)
• rollende Kugeln (sehr ungenau)
• Diffusion (ungenau)
• Stimmgabel (ungenau)
• Druckkammerzyklus (ungenau)
• Trägheitsregler (ungenau)
• Atomoszillator (undurchsichtig, schwierig zu warten)
• piezoelektrischer Kristalloszillator (undurchsichtig, schwierig zu warten)
• atomarer Zerfall (undurchsichtig, schwierig, genau zu messen)

Externe Ereignisse, die die Uhr verfolgen oder durch die sie eingestellt werden könnte

Viele dieser Methoden sind genau (einige externe Zyklen sind über große Zeitspannen sehr gleichmäßig), aber unzuverlässig (die Uhr könnte komplett aufhören zu funktionieren, wenn sie das externe Ereignis nicht richtig verfolgt). Andere haben andere Schwierigkeiten.

• Täglicher Temperaturzyklus (unzuverlässig)
• Jahreszeitlicher Temperaturzyklus (ungenau)
• Gezeitenkräfte (schwierig zu messen)
• Das rotierende Inertialsystem der Erde (schwer genau zu messen)
• Sternausrichtung (unzuverlässig wegen des Wetters)
• Sonnenausrichtung (unzuverlässig wegen des Wetters)
• tektonische Bewegung (schwer vorhersagbar und messbar)

Vorhersage und Messung)

• Orbitaldynamik (schwierig zu skalieren)
• Vandalismus (schwierig vorherzusagen)
• Unruhen (schwierig vorherzusagen)
• Bürgerkrieg (schwierig vorherzusagen vorhersagbar)
• Atomkrieg (schwer vorhersagbar)
• Aufprallereignis (schwer vorhersagbar)

Hillis kam zu dem Schluss, dass keine einzelne Quelle für die Zeitmessung die Anforderungen erfüllen kann. Als Kompromiss wird die Uhr einen genauen, aber unzuverlässigen Zeitgeber verwenden, um einen ungenauen, aber zuverlässigen Zeitgeber zu justieren, wodurch eine phasenverriegelte Schleife entsteht.

Im aktuellen Design hält ein langsamer mechanischer Oszillator, der auf einem Torsionspendel basiert, die Zeit ungenau, aber zuverlässig. Mittags wird das Licht der Sonne, das die Zeit zwar genau, aber (witterungsbedingt) unzuverlässig hält, durch eine Linse auf ein Metallsegment konzentriert. Das Metall knickt ein und die Knickkraft stellt die Uhr auf Mittag zurück. Die Kombination kann im Prinzip sowohl Zuverlässigkeit als auch Langzeitgenauigkeit bieten.

Anzeige der Zeit und des Datums

Viele der üblichen Einheiten, die auf Uhren angezeigt werden, wie z. B. Stunden und Kalenderdaten, haben nach 10.000 Jahren vielleicht wenig Bedeutung. Jede menschliche Kultur zählt jedoch Tage, Monate (in irgendeiner Form) und Jahre, die alle auf Mond- und Sonnenzyklen beruhen. Es gibt auch längere natürliche Zyklen, wie die 25.765-jährige Präzession der Erdachse. Andererseits ist die Uhr ein Produkt unserer Zeit, und es scheint angemessen, unseren derzeitigen willkürlichen Systemen der Zeitmessung zu huldigen. Am Ende schien es am besten, sowohl die natürlichen Zyklen als auch einige der aktuellen kulturellen Zyklen darzustellen.

Im Zentrum der Uhr wird ein Sternenfeld zu sehen sein, das sowohl den siderischen Tag als auch die Präzession des Tierkreises anzeigt. Um dieses herum wird ein Display die Positionen von Sonne und Mond am Himmel anzeigen, sowie die Phase und den Winkel des Mondes. Außerhalb dieser Anzeige befindet sich das ephemere Zifferblatt, das das Jahr nach unserem aktuellen gregorianischen Kalendersystem anzeigt. Dies wird eine fünfstellige Anzeige sein, die das aktuelle Jahr in einem Format wie „02000“ anstelle des üblicheren „2000“ angibt (um ein Y10K-Problem zu vermeiden). Hillis und Brand planen, wenn sie können, einen Mechanismus einzubauen, bei dem die Stromquelle nur genug Energie erzeugt, um die Zeit zu verfolgen; wenn Besucher die Zeit angezeigt sehen wollen, müssten sie selbst manuell etwas Energie zuführen.

Zeitberechnungen

Für den Teil der Uhr, der die Zeitquelle (z. B. ein Pendel) in Anzeigeeinheiten (z. B. Uhrzeiger) umwandelt, kommen Elektronik, Hydraulik, Fluidik und Mechanik in Frage.

Ein Problem bei der Verwendung eines herkömmlichen Räderwerks (das im letzten Jahrtausend der Standardmechanismus war) ist, dass Räder notwendigerweise ein Verhältnisverhältnis zwischen der Zeitquelle und der Anzeige erfordern. Die erforderliche Genauigkeit des Verhältnisses steigt mit der zu messenden Zeit. (Für eine kurze Zeitspanne mag zum Beispiel die Zählung von 29,5 Tagen pro Mondmonat ausreichen, aber über 10.000 Jahre hinweg ist die Zahl 29,5305882 eine viel genauere Wahl.)

Eine solch präzise Verhältnisbestimmung mit Zahnrädern zu erreichen, ist zwar möglich, aber umständlich; ebenso verschlechtern sich die Genauigkeit und die Effizienz von Zahnrädern mit der Zeit aufgrund der schädlichen Auswirkungen der Reibung. Stattdessen verwendet die Uhr binäre digitale Logik, die mechanisch in einer Folge von gestapelten Binäraddierern (oder wie ihr Erfinder Hillis sie nennt, serielle Bit-Addierer) implementiert ist. Im Grunde genommen ist die Umrechnungslogik ein einfacher Digitalcomputer (genauer gesagt ein digitaler Differenzialanalysator), der mit mechanischen Rädern und Hebeln anstelle von typischer Elektronik implementiert ist. Der Computer hat eine Genauigkeit von 32 Bits, wobei jedes Bit durch einen mechanischen Hebel oder Stift dargestellt wird, der sich in einer von zwei Positionen befinden kann. Diese binäre Logik kann nur die verstrichene Zeit verfolgen, wie eine Stoppuhr; um von der verstrichenen in die lokale Sonnenzeit (also die Tageszeit) umzurechnen, subtrahiert (oder addiert) ein Nocken von dem Nockenschieber, den die Addierer bewegen.

Ein weiterer Vorteil des digitalen Computers gegenüber dem Räderwerk ist, dass er besser entwickelbar ist. Zum Beispiel hängt das Verhältnis von Tagen zu Jahren von der Erdrotation ab, die sich spürbar, aber nicht sehr vorhersehbar verlangsamt. Das könnte ausreichen, um zum Beispiel die Mondphase in 10.000 Jahren um ein paar Tage zu verschieben. Das digitale Schema erlaubt es, das Umrechnungsverhältnis anzupassen, ohne die Uhr anzuhalten, wenn sich die Länge des Tages auf unerwartete Weise ändert.

StandortBearbeiten

Die Long Now Foundation hat den Gipfel des Mount Washington in der Nähe von Ely, Nevada, gekauft, der vom Great Basin National Park umgeben ist, um dort die Uhr in voller Größe dauerhaft aufzustellen, sobald sie gebaut ist. Sie wird in einer Reihe von Räumen (die langsamsten Mechanismen sind zuerst zu sehen) in den weißen Kalksteinfelsen, etwa 3.000 m (10.000 Fuß) hoch in der Snake Range, untergebracht werden. Die Trockenheit des Ortes, die Abgeschiedenheit und der fehlende wirtschaftliche Wert sollten die Uhr vor Korrosion, Vandalismus und Erschließung schützen. Hillis wählte dieses Gebiet in Nevada unter anderem deshalb, weil es eine Reihe von Zwergkiefern beherbergt, die laut der Stiftung fast 5.000 Jahre alt sind. Die Uhr wird fast vollständig unter der Erde liegen und nach ihrer Fertigstellung nur von Osten her begehbar sein.

Bevor die öffentliche Uhr in Nevada gebaut wird, errichtet die Stiftung eine Uhr in Originalgröße mit ähnlichem Design in einem Berg bei Van Horn, Texas. Die Probebohrungen für den unterirdischen Bau an diesem Standort wurden 2009 begonnen. Der Standort befindet sich auf einem Grundstück, das dem Amazon.com-Gründer Jeff Bezos gehört, der auch den Bau der Uhr finanziert. Die beim Bau dieser ersten 10.000-Jahres-Uhr in Originalgröße gewonnenen Erkenntnisse werden in das endgültige Design der Uhr in Nevada einfließen.