De meeste uurwerken die mensen gebruiken om de tijd af te lezen, zijn elke maand tot op 10 of 15 seconden nauwkeurig. De precisie van mechanische horloges (zoals een Rolex) is groter – een seconde of twee per dag. Wetenschappers hebben iets nodig dat veel preciezer en nauwkeuriger is, omdat de verschijnselen die zij meten vaak slechts miljardsten van seconden duren.
Daar komt de atoomklok om de hoek kijken. De eerste nauwkeurige versie werd gebouwd in 1955. Atoomklokken houden de tijd bij door de oscillaties te meten van atomen die van energietoestand veranderen. Elk element heeft een karakteristieke frequentie of reeks frequenties, en aangezien het atoom miljarden keren per seconde “slaat”, zijn dergelijke klokken zeer nauwkeurig. Bij het National Institute of Standards and Technology is de “officiële” seconde 9.192.631.770 cycli van een cesiumatoom. (Het kwarts in een horloge trilt ongeveer 32.000 keer per seconde, zo’n 290.000 keer langzamer dan cesiumatomen.)
Wetenschappers hebben het over atoomklokken in termen van stabiliteit en precisie. Voor een atoomklok betekent precisie hoe goed hij de trillingen van atomen meet. Door twee klokken met elkaar te vergelijken, kunnen wetenschappers de onzekerheid bij het aflezen van die frequentie meten – hoe nauwkeurig een klok is. Stabiliteit is hoeveel de tikken van een klok variëren gedurende een bepaalde tijd. Als u het gemiddelde neemt van een groot aantal tikken, bijvoorbeeld 100.000, krijgt u een getal dat kan worden afgezet tegen de werkelijke tijd die de klok aangeeft. Wetenschappers hebben het meestal over precisie als ze zeggen dat een klok zo nauwkeurig is dat hij in miljoenen jaren een seconde wint of verliest. Wanneer wetenschappers het over nauwkeurigheid hebben, bedoelen ze meestal hoe goed een klok overeenkomt met een bepaalde standaardreferentie, dus in die zin is de nauwkeurigste klok altijd de klok waarmee ze de standaardseconde instellen.
Tom O’Brian, hoofd van de NIST Time & Frequency divisie, noemde verschillende soorten atoomklokken: Degene die wordt gebruikt om de standaardseconde te bepalen is gebaseerd op cesiumatomen, maar andere typen gebruiken strontium, aluminium of kwik. Sommige gebruiken waterstof. Voor nog betere precisie, de nieuwste atoomklokken super-cool de atomen in hen om eventuele verstoringen van omgevingswarmte te elimineren.
De grootste afnemer van atoomklokken, de telecommunicatie-industrie, zet ze in om glasvezel schakelaars en mobiele telefoon torens te synchroniseren, zei O’Brian. Atoomklokken worden ook gebruikt in het GPS-systeem om nauwkeurig de timing van signalen te meten en iemands positie ten opzichte van de satellieten te melden.
Dit zijn enkele van de meest nauwkeurige klokken die ooit zijn gebouwd, maar O’Brian merkte op dat de technologie steeds beter wordt, en wetenschappers proberen steeds nauwkeurigere metingen van de tijd te maken.
1. De NIST F2
Deze klok, die in 2014 voor het eerst in werking werd gesteld, helpt samen met zijn voorganger, de NIST F1, bij het bepalen van de standaardseconde die door wetenschappers over de hele wereld wordt gebruikt. De NIST F2 synchroniseert ook telecommunicatie en zelfs de handel op financiële markten voor de officiële tijd van de dag. De klok gebruikt een set van zes lasers om de atomen (ongeveer 10 miljoen stuks) af te koelen, terwijl een ander paar lasers de atomen zachtjes omhoog laat gaan in een kamer gevuld met microgolfstraling. De frequentie van de straling die de toestand van de meeste atomen verandert, is wat NIST gebruikt om seconden te definiëren. De nauwkeurigheid komt gedeeltelijk doordat de klok werkt bij een temperatuur van min 316 graden Fahrenheit (min 193 graden Celsius); de koude omstandigheden helpen de cesiumatomen te beschermen tegen zwerfhitte die de metingen van de oscillaties van het atoom zou kunnen veranderen. Deze klok zal ongeveer eens in de 300 miljoen jaar een seconde winnen of verliezen.
2. Universiteit van Tokio/RIKEN
Gebouwd door een team onder leiding van Hidetoshi Katori, is dit een optische roostervormige atoomklok. Hij maakt gebruik van strontiumatomen die tussen laserstralen gevangen zitten en gekoeld zijn tot min 292 F (min 180 C). Optische tralieklokken meten de oscillaties van ensembles van opgesloten atomen, en kunnen dus eventuele fouten uitmiddelen. De onzekerheid van deze klok, waarover op 9 februari in het tijdschrift Nature Photonics werd bericht, is 7,2 x 10^-18, wat neerkomt op ongeveer één seconde per 4,4 miljard jaar; de onderzoekers zeiden dat zij in staat waren twee klokken van hetzelfde type te laten lopen om dat terug te brengen tot 2.0 x 10^-18, of ongeveer een seconde per 16 miljard jaar.
3. De NIST / JILA strontiumklok
NIST en JILA, een gezamenlijk instituut van de Universiteit van Colorado in Boulder, hebben een strontium-roosteruurwerk gebouwd dat een precisie van 1 seconde per 5 miljard jaar bereikt. Het team, onder leiding van natuurkundige Jun Ye, publiceerde hun werk in 2014 en controleerde de resultaten dubbel door hun klok tegen een andere klok te laten lopen die er precies op leek. O’Brian zei dat NIST nog een klokexperiment plant om dat nog verder op te drijven, om de stabiliteit van de klok gebouwd door Katori’s team in Japan te overtreffen. De klok werkt door strontiumatomen met lasers in een soort pannenkoekvormige ruimte te vangen. Een op een bepaalde frequentie afgestemd rood laserlicht doet de atomen van energieniveau naar energieniveau springen, en die sprongen zijn de “ticks” – zo’n 430 biljoen per seconde.
4. De aluminium quantum logische klok
NIST gebruikt niet alleen atomen van strontium en cesium. In 2010 bouwde NIST een atoomklok die een atoom van aluminium gebruikte, met een precisie van een seconde per 3,7 miljard jaar. Deze maakt gebruik van een enkel atoom van aluminium gevangen in magnetische velden met een enkel atoom van beryllium. Lasers koelen de twee atomen af tot bijna het absolute nulpunt. Een andere laser wordt afgestemd op de frequentie die aluminium van toestand doet veranderen. Maar de toestanden van aluminium zijn moeilijk nauwkeurig te meten, dus wordt het aluminium gekoppeld aan het berylliumatoom. Dit is een soortgelijk proces als in kwantumcomputers wordt gebruikt.
5. De Shortt-Synchrone Mechanische Klok
Atomaire klokken krijgen alle eer, maar O’Brian zei dat wetenschappers voor hun komst nog steeds mechanische klokken moesten gebruiken – en sommige waren behoorlijk nauwkeurig. De Shortt klok, uitgevonden in 1921, was een standaard wetenschappelijk instrument in observatoria totdat atoomklokken hem vervingen. De klok was eigenlijk een dubbel systeem, bestaande uit een slinger in een vacuümtank die door elektrische draden met elkaar was verbonden. De secundaire klok zond om de 30 seconden een elektrische puls naar de primaire klok om ervoor te zorgen dat de twee synchroon bleven lopen, en de slinger in het vacuüm was gemaakt van een nikkel- en ijzerlegering om thermische uitzetting te beperken, die de lengte van de slinger en dus zijn slingerbeweging zou veranderen. De klok is zo nauwkeurig dat de slingers kunnen worden gebruikt om gravitatie-effecten van de zon en de maan te meten, en het was dit instrument dat aantoonde dat de rotatie van de aarde in feite niet uniform was. Tests aan het U.S. Naval Observatory in de jaren ’80 toonden aan dat de klok een nauwkeurigheid had van 1 seconde in ongeveer 12 jaar.
Recent news