Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
klok

Wetenschappers hebben een manier bedacht om de meest nauwkeurige atoomklok ter wereld nog beter te maken. Voor het eerst is een klok bedacht die maar 1 seconde in het leven van het universum afwijkt.

De huidige definitie van de seconde is gekoppeld aan hoe goed elektronen op en neer bewegen in een cesiumatoom. De klokken die dit meten worden cesiumatoomklokken genoemd. De maximale nauwkeurigheid die behaald wordt met deze klokken is een afwijking van 1 seconde per 100 miljoen jaar. Doordat onderzoek op steeds kleinere afstanden en tijden plaatsvindt, gps nauwkeuriger wordt en computer processen steeds sneller worden, is het noodzakelijk om steeds nauwkeuriger tijdsmetingen te doen.

De timing die bijvoorbeeld nodig is bij een gigabyte aan dataoverdracht per seconde, zodat de informatie niet door elkaar loopt, is behoorlijk indrukwekkend. Daarnaast is een lang openstaande vraag of alle constanten in onze natuur daadwerkelijk constant zijn. Kortom goede klokken zijn belangrijk. Een grote mijlpaal is nu bereikt door een team van Amerikaanse en Russische wetenschappers die daarover vertellen op een conferentie met een indrukwekkende naam: De 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & the European Frequency and Time Forum.

De wetenschappers hebben precies berekend wat de veroorzaker van de grootste foutmarge is bij de volgende generatie atoomklokken. Warmte bleek, zoals vaker bij natuurkundige experimenten, het probleem. Door de berekeningen van de wetenschappers is het nu mogelijk om klokken te maken die elke 32 miljard jaar maar een seconde fout lopen. Doordat deze nieuwe techniek zoveel nauwkeuriger is dan de huidige atoomklokken zou dit misschien wel de nieuwe standaard voor de seconde kunnen worden.

Hoe werkt een klok eigenlijk
De eerste manieren om tijd bij te houden bestonden uit zogenaamde continue klokken. Voorbeelden zijn zonnewijzers (bijvoorbeeld de gnomon), bakken water die langzaam leeg lopen of kaarsen die met een standaard snelheid opbranden. Vanaf de veertiende eeuw werden tikkende klokken met een mechanisme uitgevonden. De oudste mechanische klokken dateren uit die tijd, hoewel er wel geschriften uit de dertiende eeuw zijn gevonden die al mechanische klokken beschrijven. Hoe ingewikkeld de mechanische klok ook is, ze is altijd gestoeld op hetzelfde principe. Kerk-, kwarts- en atoomklokken bestaan allemaal uit twee basisonderdelen. Er is een gedeelte dat tikt en er is een gedeelte dat het aantal tikken bijhoudt.

De simpelste voorbeelden zijn een kroonwielklok en een penduleklok. Doordat Europeanen de wereldzeeën gingen bevaren, ontstond er een noodzaak voor betere navigatie. Door de hoek waaronder de zon staat kan je de breedtegraad berekenen, maar om te weten hoe oostelijk of westelijk je bent op aarde, heb je een nauwkeurige klok nodig. Belangrijk is dan dat de klok nauwkeurig blijft over langere tijd. Je hebt zonder radiocommunicatie immers niet de mogelijkheid op zee om je klok weer bij te stellen.

Flink getikt
Het tellen van het aantal tikken was vaak niet het probleem. Vooral de nauwkeurigheid waarmee de tikken gaan is moeilijk constant te houden. Een penduleklok op zee werkt heel slecht omdat de deining ervoor zorgt dat de slinger niet goed kan bewegen. Een kwartsklok is daar een oplossing voor. Maar kwartsklokjes kunnen weer niet heel nauwkeurig werken omdat er een maximum aan het aantal tikken zit. Het liefst wil je zo veel mogelijk tikken per seconde in de klok. Stel je voor dat je 10 tikken per seconde zou hebben, dan kan je nooit preciezer de tijd meten dan één tiende seconde. Als je nu een miljard tikken zou hebben, kan je tot op een miljardste seconde nauwkeurig de tijd meten. Dit is waar de wetenschappers in het NIST instituut mee bezig zijn. Is het mogelijk om iets te maken dat heel vaak tikt en heel stabiel is? Een atoomklok lijkt de beste kandidaat.

Een atoomklok met zichtbaar licht
Atoomklokken werken met atomen die beschenen worden met licht. De elektronen in een atoom springen op en neer bij een hele specifieke golflengte van het licht. Als de golflengte een beetje afwijkt zullen elektronen minder goed op en neer springen en een atoomklok past de golflengte steeds een beetje aan totdat de elektronen maximaal op neer springen. Dit meet de atoomklok. Vervolgens wordt de golflengte uitgelezen. Uit die golflengte wordt de duur van een seconde gehaald. De golflengte bij het perfecte licht in een cesium atoom bevat 9.192.631.770 trillingen per seconde. Een heel stuk meer dan de paar duizend van een kwartsklokje. De huidige seconde is zelfs gedefinieerd als het aantal trillingen van het licht dat een cesium atoom maximaal aanslaat.

Zoals eerder in het voorbeeld van de kwartsklok betekenen meer trillingen ook meer nauwkeurigheid. Daarom zijn wetenschappers bezig met het ontwikkelen van atoomklokken die licht gebruiken met nog meer trillingen per seconde. Op dit moment zijn ze bezig met aluminium en kwik klokken. Deze zijn al gemaakt en afgelopen februari werd het nieuws bekend gemaakt dat het Amerikaanse NIST instituut een aluminiumklok had gemaakt die maar een onnauwkeurigheid hebben van één seconde per 3,7 miljard jaar. Men kwam erachter dat de grootste fout nog zat in het miniem uitzetten van de elektronen om de kern heen bij hogere temperaturen. De elektronen gaan een duizend miljardste verder van de kern zitten en daardoor heeft de klok een onzekerheid.

Nu hebben wetenschappers bedacht hoe dit probleem op te lossen is en zullen de huidige klokken worden verbeterd. Als deze klokken inderdaad gebouwd kunnen worden, zou dit wel eens de nieuwe standaard voor de seconde kunnen worden. Op dit moment is de definitie van de seconde gestoeld op cesiumklokken. Het is dan wel erg opmerkelijk dat gesproken wordt over nog nauwkeurigere klokken dan de cesiumatoomklokken waar de standaard op gebaseerd is. Hoe kan je iets nauwkeuriger meten dan de definitie toelaat. Sowieso is de nieuwe klok eigenlijk niet nauwkeuriger te noemen dan de oude klokken omdat die de definitie van de seconde maken.