Tijd wordt inzichtelijk

De Grote Tijd Tentoonstelling, vanaf woensdag 28 november in de Nieuwe Kerk in Amsterdam, belicht 'tijd' vanuit meerdere invalshoeken. Naast een historisch overzicht van de tijdmeting, worden recente ontwikkelingen op het gebied van tijd en fysica met behulp van interactieve computerprogramma's inzichtelijk gemaakt. Een voortreffelijk idee: technische en wetenschappelijke ontwikkelingen hebben het aanzien van de tijd de laatste honderd jaar drastisch veranderd.

Vijfentwintig jaar geleden bleek de zonnedag als maat voor de tijd niet langer constant, men vond een grotere precisie in het cesiumatoom. Zelfs kwarts, de frequentieregelaar van menig tegenwoordig horloge kan daar niet tegenop. Kwartsklokken lopen daarom al gauw enkele microseconden achter op de standaardtijd.

Vergeleken met mechanische klokken uit de veertiende eeuw is dat overigens geen slecht resultaat: door de haperingen van het raderwerk of door de dikte van de smeerolie liepen die klokken soms wel een kwartier per dag achter. Zij hadden 'tikken' die enkele seconden aanhielden, terwijl de tegenwoordige kwartshorloges 100.000 maal per seconde tikken en atomaire klokken een frequentie hebben van 9.192.631.770 'tikken' per seconde. 'In vijftig jaar is de nauwkeurigheid van tijdmeting met een factor miljoen toegenomen', zegt tijddeskundige Humphrey M. Smith van de sterrenwacht van Greenwich.

Ooit werd, ook in ons land, vastgehouden aan de plaatselijke middelbare tijd, die direct gerelateerd was aan de zonnestand en daarom per stad verschilde. Dat veranderde met de komst van de postkoets en de trein: met verschillende lokale tijden was het immers lastig reizen. Toen de telegraaf zijn intrede deed, werd de behoefte aan een uniforme tijd nog groter. De tijdsignalen van de sterrenwacht van Greenwich konden nu voor het eerst naar andere landen worden geseind. Deze tijd, beter bekend als Greenwich Mean Time (GMT), werd in 1936 nog afgelezen van vijf pendulumklokken, waarvan er een diende als 'hoofdklok' en de andere als controle-instrumenten.

Twee jaar later hadden die klokken al weer afgedaan, afwijkingen van enkele milliseconden waren onacceptabel geworden. De pendulumklok werd vervangen door de kwartsklok, waarmee W. G. Cady reeds in 1922 had geexperimenteerd. Een kwartskristal kan bij het aanleggen van een elektrische spanning in een trilling raken met een vaste frequentie. Een zeer goed slingeruurwerk heeft een precisie van circa tien seconden, bij het kwartsuurwerk is dat een tiende seconde.

Voor het verspreiden van dit kwartssignaal kon niet langer gebruik worden gemaakt van telegraafapparatuur, want daarin komen vertragingen voor van tien milliseconden. Daarom werd een beroep gedaan op de radio. Maar daar bleef het niet bij. Na de Tweede Wereldoorlog realiseerde men zich dat de standaardtijd niet meer kon worden afgeleid uit de aardrotatie, omdat de aarde een beetje schommelt en er afwijkingen kunnen ontstaan. Vanaf 1 januari 1950 gold de Voorlopig Uniforme Tijd (VUT), GMT plus correctie.

Nog altijd waren tijdwetenschappers niet tevreden. Kwartstrillingen zijn afhankelijk van de temperatuur en kunnen afwijkingen geven. En dus diende een nog grotere nauwkeurigheid te worden nagestreefd. Technici vonden die in het cesiumatoom. Atomen hebben een positief geladen kern omringd door een zwerm van negatief geladen elektronen, waarvan het buitenste elektron om zijn as draait en een magneetveld creeert. Wanneer aan het atoom elektrische energie wordt toegevoegd, klapt het buitenste elektron om en daarmee ook zijn magnetisch veld. Dit gebeurt als gezegd 9.192.631.770 maal per seconde. Sinds juli 1955 geven atoomklokken de standaardtijd aan. Het signaal werd aanvankelijk verspreid via gesynchroniseerde navigatiezenders, met name Loran-C (toegestane afwijking: 0,1 microseconde) en Omega (0,3 microseconde), maar sinds 1973 maakt men gebruik van satellieten, het zogenaamde NAVSTAR Global Positioning System (GPS). Het zendt het tijdsignaal op twee verschillende frequenties uit.

De zoektocht naar nauwkeurige frequentieregelaars voor precisieklokken is overigens nog lang niet beeindigd. Men heeft gekeken naar de trillingen van thallium (een loodachtig metaal) en rubidium (een alkalimetaal), maar de beste kandidaat lijkt de waterstof maser, een versterker van monochromatische elektromagnetische stralingsflitsen, die 1.420.405.751.73 maal per seconde trilt en nog stabieler is dan cesium. In 1987 zijn de metingen van mobiele masers vergeleken met die van laboratoriummasers en er werden afwijkingen geconstateerd van nog geen 300 picoseconden. Als mobiele precisieklokken zijn masers daardoor zeer geschikt. Ze zullen dan ook vermoedelijk worden gebruikt voor metrologie (landmeting) en interferometrie (meting van zeer kleine verschillen in golflengtes).

Met al deze verfijningen wordt de vraag wat precies onder een seconde moet worden verstaan natuurlijk steeds nijpender. Al sinds 1956 bestaat er een Comite voor de Definitie van een Seconde. Voorlopig is een seconde nog de 9 192 631 770 tikken van het cesiumatoom. De thans geldende Internationale Atomaire Tijd is ontleend aan calibraties van laboratoria in Canada, Duitsland, Japan, USA en USSR. In 1989 is die overigens tweemaal voor zeer kleine afwijkingen gecorrigeerd. Vervelend is wel dat er een steeds groter verschil is ontstaan tussen de atomaire tijd en de door astronomen gehanteerde efemeridentijd (ET), die gebaseerd is op de werkelijke aardrotatie. Astronomen hebben voorgesteld om beide tijden beter op elkaar af te stemmen, maar dat zou betekenen dat de Internationale Atomaire Tijd 32 seconden (ruim een halve minuut) zou moeten worden bijgesteld. Het plan is dan ook niet doorgegaan. Men wilde gebruikers van de atomaire tijd niet in het harnas jagen.

De Grote Tijd Tentoonstelling, 28 november 1990 - 6 januari 1991, dagelijks van 10.00 - 17.00 in de Nieuwe Kerk op de Dam in Amsterdam. Op maandag gesloten, met uitzondering van 24 en 31 december.

    • Jan Libbenga