Motherboard  | New York  

Tijd is altijd belangrijk geweest in onze samenleving. Maar de manier waarop we tijd meten, is ingrijpend veranderd, zegt hoogleraar natuurkunde Jun Ye.

De vraag die Jun Ye het vaakst wordt gesteld, luidt: waarom zou je de meest nauwkeurige klok ter wereld willen maken? Voor velen van ons, voor mensen die leven bij de dag of bij het uur of, als we geluk hebben, bij het moment, valt maar moeilijk te begrijpen wat het voor zin heeft om de tijd op te delen in steeds kleinere stukjes. Maar zoals Ye, hoogleraar natuurkunde aan de University of Colorado in Boulder uitlegt, is het bestuderen van het fenomeen tijd allesbehalve zinloos. Tijd, zegt Ye, ligt niet alleen ten grondslag aan alles wat we doen, maar vormt tevens de sleutel tot ons begrip van de werking van het heelal.

‘Tijd is een van de meest wezenlijke manieren waarop we in contact staan met de natuur,’ zegt Ye. De baan die de zon aflegt langs de hemel stelde de oude Egyptenaren in staat hun werktijden bij te houden. De zwaartekracht zorgde ervoor dat slingeruurwerken de tijd konden aangeven, waardoor zeelieden konden navigeren en de oceaan konden oversteken. En met behulp van oscillerend kwarts vond de tijd zijn weg naar de pols van de mens. Het meten van de tijd heeft altijd een cruciale rol vervuld binnen de menselijke samenleving, legt Ye uit, maar de manier waarop we tijd meten is ingrijpend veranderd.

De eerste atoomklokken

Naarmate de metingen nauwkeuriger werden, ontdekten wetenschappers dat de natuurlijke manieren om de tijd bij te houden onbetrouwbaar en inconsistent waren. Ze gingen op zoek naar uurwerken die niet achter zouden lopen en die niet zo vaak gelijk gezet hoefden te worden. Deze zoektocht zette natuurkundigen op het spoor van atomen, die dankzij hun natuurlijke eigenschappen als vanzelf ‘tikken’. Elk atoom bevat nog kleinere deeltjes die zijn gerangschikt als een zonnestelsel. In de kern zitten protonen en neutronen, de zon, en daaromheen cirkelen op steeds grotere afstand elektronen, de planeten.

In de minuscule, subatomaire wereld, volgen atomen de wetten van de kwantumfysica [het jonge deelgebied van natuurkunde dat deeltjes bestudeert die zo klein zijn dat de wetten van de traditionele natuurkunde niet meer gelden]. Elektronen kunnen overspringen van de ene baan naar de andere en als ze dat doen, absorberen ze een piepkleine hoeveelheid microgolfstraling, of geven die juist af, en gaan dan over in een andere energietoestand. Dit gebeurt talloze keren per seconde en al die sprongetjes heen en weer bepalen de transitiefrequentie van het atoom, oftewel het tikken van de klok.

Twee Britse natuurkundigen, Louis Essen en Jack Parry, vonden halverwege de vorige eeuw een manier om de atomen van het zachte, zilver-goudachtige metaal cesium te verwerken in een van de eerste atoomklokken. Dat betekende letterlijk een nieuwe definitie van tijd. Een seconde wordt tegenwoordig gedefinieerd als de transitiefrequentie van cesium 133, grofweg 9,2 miljard overgangen. In de klok van Essen en Parry, inmiddels een museumstuk, werden atomen gebruikt om kwartsuurwerken te resetten door het mineraal een duwtje te geven zodra de trillingen vertraagden. Als de klok al die tijd in gebruik was gebleven, zou er in driehonderd jaar niet één seconde te veel of te weinig zijn aangegeven.