BIJLAGE EEN WANDELING DOOR DE TIJD

Transcriptie

1 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd BIJLAGE EEN WANDELING DOOR DE TIJD OUDE KALENDERS Hemellichamen (de zon, de maan, planeten, sterren) hebben de mens doorheen heel zijn geschiedenis een manier verschaft om de tijd te meten. Oude beschavingen vertrouwden op de schijnbare beweging van die hemellichamen om seizoenen, maanden en jaren te bepalen. We weten vrij weinig over de preciese manieren om de tijd te meten in prehistorische tijden maar overal waar we overblijfselen vinden van menselijke bewoning, vinden we meestal ook aanwijzingen voor het feit dat in die cultuur wel personen waren wiens werk het was om het verstrijken van de tijd te meten en bij te houden. Twintigduizend jaar geleden kerfden jagers uit Europa al lijnen in stokken en beenderen of boorden ze er gaten in, waarschijnlijk om de dagen te tellen tussen de fasen van de maan.vijfduizend jaar geleden hadden de Sumeriërs, die leefden in een gebied dat nu tot Irak behoort, een kalender die een jaar verdeelde in maanden van 30 dagen, elke dag verdeelde in 12 perioden en elk van die perioden nog eens onderverdeelde in 30 delen. Over Stonehenge, 4000 jaar geleden gebouwd in Zuid-Engeland, hebben we geen geschreven bronnen maar de uitlijning van de stenen laat ons sterk vermoeden dat de bedoeling van dit bouwwerk was om seizoenen en hemelverschijnselen als maansverduisteringen en zonnewendes te bepalen. De vroegste Egyptische kalender was gebaseerd op de cyclus van de maan maar later realiseerden ze zich dat de ster Sirius om de 365 dagen opkomt in de buurt van de zon en dat dit verschijnsel ongeveer samenvalt met de steeds terugkerende overstroming van de Nijl. Gewapend met die kennis voerden de een jaar van 365 dagen in. Deze nieuwe kalender begon waarschijnlijk in 4236 voor onze jaartelling, het vroegste jaar dat in de geschiedenis werd opgetekend. In Babylonië, ook in het huidige Irak, deelde men vóór 2000 voor onze jaartelling een jaar in in 12 maanden van afwisselend 29 en 30 maanmaanden zodat ze uitkwamen op een jaar van in het totaal 364 dagen. Daar tegenover staat dat de Maya's uit Centraal-Amerika zich niet alleen op de maan en de zon baseerden maar ook de beweging van de planeet Venus in rekening brachten. Zo kwamen ze tot een kalender met 260 dagen per jaar en een kalender met 365 dagen per jaar. Zij lieten ons geschreven bronnen na die aangeven dat ze geloofden dat de wereld ontstaan is in 3113 voor onze jaartelling. Hun kalenders gingen later deel uit maken van de grootse kalenderstenen van de Azteken. Andere beschavingen, zoals de onze, gebruikten en gebruiken een zonnekalender van 365 dagen met om de vier jaar een schrikkeljaar van één dag meer.

2 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd DE VROEGSTE KLOKKEN In de menselijke geschiedenis is het een vrij recent verschijnsel dat mensen de behoefte hebben om te weten hoe laat het is. Voor zover wij weten zijn de grote beschavingen uit het Midden-Oosten en uit Noord-Afrika 5000 tot 6000 jaar geleden begonnen met het ontwerpen van klokken. Omwille van hun maatschappelijke organisatie en hun religie vonden zij het nodig om hun tijd efficiënter in te delen. ZONNEKLOKKEN Nadat de Sumerische beschaving was verdwenen zonder haar kennis door te geven, waren de Egyptenaren de volgenden om hun dagen onder te verdelen. Obelisken werden al gebouwd rond 3500 voor onze jaartelling. Hun bewegende schaduw was een soort zonnewijzer die de bevolking toeliet om de dagen in twee stukken onder te verdelen omdat hij de middag (kortste schaduw, wijzend naar het noorden) aangaf. De obelisken toonden ook de kortste en langste dagen van het jaar (door resp. de langste en de kortste middagschaduw). Later zouden meer markeringen verdere onderverdelingen van de dag tonen. Een andere Egyptische schaduwklok of zonnewijzer, en waarschijnlijk de eerste draagbare klok, kwam in gebruik rond 1500 voor onze jaartelling. Dit toestel verdeelde de dag in 10 delen en 2 "schemeruren", 's morgens en 's avonds. Als deze klok met vijf markeringen in de voormiddag naar het oosten werd gericht, dan viel er een schaduw van een verheven dwarsbalk over de markeringen en gaf zo de tijd aan. 's Middags werd het toestel omgekeerd gezet om de "namiddaguren" aan te geven. De merkhet, het oudst bekende sterrenkundig meettoestel, was een Egyptische uitvinding van rond 600 voor onze jaartelling. Twee merkhets werden gebruikt om de richting noord-zuid te bepalen door ze op te lijnen met de poolster. Daarna konden ze gebruikt worden om nachturen te bepalen door te kijken welke sterren die lijn passeerden. Op zoek naar meer preciesie, hebben mensen de moeite gedaan om steeds betere zonnewijzers te ontwikkelen. In 30 voor onze jaartelling beschreef Vitruvius dertien verschillende types van zonnewijzers die toen werden gebruikt in Griekenland, Klein Azië en Italië. DE ELEMENTEN VAN EEN KLOK Nu we een aantal manieren hebben beschreven waarop mensen gedurende de afgelopen millennia de tijd hebben gemeten, is het zeer leerzaam om even te kijken uit wat een klok nu eigenlijk moet bestaan. Alle klokken moeten twee basiselementen bezitten: een regelmatig, constant of repetitief proces om gelijke tijdsintervallen te kunnen afpassen. Vroege voorbeelden van dergelijke processen zijn o.a. de beweging van de zon langs de hemel, gemarkeerde kaarsen, olielampen met gemarkeerde reservoirs, zandlopers en in het Oosten kleine stenen of metalen vormen die werden gevuld met geurstoffen die in een bepaalde tijd opbranden. een manier om de tijdsverdelingen bij te houden en het resultaat af te lezen. Onze manier om de tijd af te lezen berust op de positie van de wijzers van een klok of op een digitaal display. De geschiedenis van het bijhouden van de tijd is het verhaal van een zoektocht naar steeds nauwkeuriger processen om een klok te maken.

3 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd WATERKLOKKEN Waterklokken waren mee van de eerste klokken die niet afhingen van het waarnemen van hemellichamen. Eén van de oudste heeft men gevonden in de graftombe van Amenhotep I, die rond 1500 voor onze jaartelling stierf. De Grieken begonnen deze klokken, die ze clepsydras (letterlijk "waterdief") noemden, rond 325 voor onze jaartelling te gebruiken. Het waren eigenlijk niet meer dan stenen kommen waarin onderaan een gaatje zat zodat het water er aan een nagenoeg constant debiet in liep. Markeringen op de binnenzijde gaven het "uur" aan als het waterpeil ze bereikte. Deze klokken gebruikte men zeker nachts maar mogelijk ook overdag. Een variant van een dergelijke klok werd in de 20e eeuw nog steeds gebruikt in Noord-Afrika. Meer uitgewerkte en indrukwekkende waterklokken werden vanaf 100 voor onze jaartelling gemaakt door Griekse en Romeinse horlogisten en sterrenkundigen. Het was de bedoeling om de waterstroom meer constant te houden en daardoor waren deze klokken ook ingewikkelder. Verder werden ze uitgevoerd met leuke snufjes om de tijd aan te geven. Sommige van die klokken hadden bellen en gongen, andere openden deurtjes waarachter figuurtjes de tijd aangaven of hadden bewegende wijzers of een astrologisch model van het universum. Onder supervisie van Andronikos, een Griekse astronoom, bouwde Athene in de eerste eeuw voor onze jaartelling de zgn. Windtoren. Deze achthoekige structuur had zowel zonnewijzers als mechanische klokken. Er zat onder andere een 24-uur clepsydra op en ook wijzers die acht windrichtingen konden aangeven, vandaar de naam voor de toren. Verder stonden er ook de seizoenen op aangegeven en een aantal astrologische data en perioden. De Romeinen ontwikkelden ook mechanische clepsydras, hoewel de steeds groter wordende complexiteit ervan maar weinig bijdroeg tot de nauwkeurigheid. In het Verre Oosten was er tussen 200 en 1300 een ontwikkeling van mechanische astronomisch/astrologische klokken. Derde-eeuwse Chinese clepsydras brachten diverse systemen in werking om astronomische fenomenen te illustreren. Eén van de meest uitgebreide kloktorens werd gebouwd door Su Sung en zijn medewerkers in Hij gebruikte een systeem van wateraandrijving dat uitgevonden was in 725. Zijn toren was meer dan 10 meter hoog en bevatte een uit bronzen ringen bestaande bol voor astronomische waarnemingen, een automatisch draaiende aardbol en vijf frontpanelen met deuren die veranderende figuren lieten zien die bellen of gongen lieten weerklinken en tabletten vasthielden waarop het uur of andere speciale tijden van de dag stonden genoteerd.

4 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd Het is echter moeilijk om het debiet van water nauwkeurig onder controle te houden en een klok die hierop is gebaseerd zal de tijd ten hoogste in goede benadering kunnen weergeven. Daarom zochten de mensen naar andere manieren om de tijd te meten. EEN REVOLUTIE IN TIJDMETING De technologische vooruitgang in Europa stond gedurende de Middeleeuwen (ruwweg van 500 tot 1500) vrijwel stil. Men maakte wel nieuwe types van zonnewijzers maar hun principes waren niet veel verschillend van die die al in het oude Egypte bekend waren. Gedurende die periode waren eenvoudige zonnewijzers boven deuren heel gewoon. Ze lieten zien wanneer het middag was en verdeelden de dag in vier perioden. Tegen de 10e eeuw bestonden er al zakzonnewijzers. Een bekend Engels model duidde ook die vier perioden aan maar compenseerde daarenboven voor de veranderingen in zonnestand gedurende de verschillende seizoenen. Dan, in het begin tot het midden van de 14e eeuw, begonnen er grote mechanische klokken op te duiken in de torens van verschillende grote Italiaanse steden. Omtrent de voorlopers van deze klokken hebben onderzoekers geen aanwijzingen kunnen vinden maar ze werden allemaal aangedreven door zware gewichten en geregeld door een oscillerende as. Dit soort mechanismen beheerste de tijdmeting gedurende de volgende 300 jaar maar de oscillerende as was moeilijk te regelen en dus was er van grote nauwkeurigheid nog steeds geen sprake. Een andere vooruitgang was de uitvinding van klokken die worden aangedreven door een veer. Deze uitvinding wordt toegeschreven aan Peter Henlein uit Nüremberg en gebeurde tussen 1500 en Aangezien de zware gewichten werden vervangen door de veer, liet dit klokkenbouwers toe om kleinere (en draagbare) klokken te maken. Alhoewel ze vertraagden als de veer zich ontspande, waren deze klokken heel populair bij de rijken. Ze waren immers klein en elegant en je moest ze niet meer aan de muur hangen. Deze vooruitgangen in design waren de voorlopers van echt nauwkeurige tijdmeting. NAUWKEURIGE MECHANISCHE KLOKKEN In 1656 maakte de Nederlandse wetenschapper Christiaan Huygens de eerste klok met een slinger. Op die manier kon een klok afgesteld worden door gebruik te maken van een systeem met een "natuurlijke" frequentie. Alhoewel de uitvinding van de slinger vaak wordt toegeschreven aan Galileo Galilei en hij de slingerperiode al in 1582 bestudeerde, werd Galileo's ontwerp voor een klok niet voor zijn dood gebruikt. De slingerklok van Huygens had maar een afwijking van 1 minuut per dag, een nauwkeurigheid die hij later nog opdreef tot een afwijking van 10 seconden per dag. Rond 1675 ontwikkelde Huygens een wiel-en-veer systeem, iets wat nog steeds in sommige hedendaagse uurwerken wordt gebruikt. Deze verbetering zorgde er voor dat 17e eeuwse uurwerken nog maar 10 minuten per dag verliepen. En in Londen in 1671 bracht William Clement verbeteringen aan in het systeem van de Italiaanse klokken van de 14e eeuw. In 1721 dreef George Graham de klokvastheid van de slingerklok op tot 1 seconde per dag door rekening te houden met de veranderingen in de lengte van de slinger omwille van temperatuurverschillen. John Harrison, schrijnwerker en self-made klokkenmaker, verbeterde

5 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd Grahams ontwerp nog en voegde nieuwe technieken toe om de wrijving in een klok te reduceren. Tegen 1761 had hij een scheepschronometer gebouwd waarmee hij een fortuin aan prijzengeld in de wacht sleepte bij een wedstrijd die was uitgeschreven door de Britse regering. Met zijn scheepsklok was het mogelijk geworden om de geografische lengte tot op een halve graad nauwkeurig te bepalen na een reis naar West-Indië. De klok verliep aan boord van een stampend schip slechts een vijfde van een seconde per dag, wat bijna zo goed was als een slingerklok op het land en bovendien tien keer beter dan vereist was om de wedstrijd te winnen. De verbeteringen in de volgende eeuw leidden in 1889 tot de klok van Siegmund Riefler, die een slinger had die wrijvingsloos was opgesteld. De klok had een nauwkeurigheid van een honderdste van een seconde per dag en werd de standaard in veel astronomische observatoria. Een echte wrijvingsloze slinger werd rond 1898 geïntroduceerd door R.J. Rudd. Gebruik makend van zijn principe demonstreerde W.H. Shortt in 1921 een klok die zo nauwkeurig was dat in veel observatoria de klok van Riesler werd vervangen. KWARTSHORLOGES De klok van Shortt werd als standaard vervangen door klokken met een kwartskristal in de jaren 30 en 40, waardoor het bepalen van tijden veel nauwkeuriger werd dan met mechanisch systemen mogelijk zou zijn. De werking van een kwartsklok is gebaseerd op het piezoelektrisch effect in kwartskristallen. Als je een dergelijk kristal in een elektrisch veld brengt, dat verandert het van vorm en omgekeerd, als je het plooit of samendrukt, dan wekt het een elektrisch veld op. Wanneer je het in een gepast elektronisch circuit zet dan zorgt het samenspel tussen vervorming en elektrisch veld ervoor dat het kristal gaat trillen en zo krijg je een elektrisch signaal met een heel preciese frequentie. Dit signaal kan je dan gebruiken om een klok te sturen. Kwartsklokken zijn beter dan alle voorgaande omdat geen enkel onderdeel het natuurlijke ritme van het kwartskristal verstoord. Maar de trilling van het kwartskristal hangt nog wel af van zijn vorm en zijn grootte en geen enkel kristal is identiek aan een ander, wat maakt dat het ritme waarmee ze trillen ook een (miniem) verschil vertoont. Toch zijn kwartsklokken zo nauwkeurig en zo goedkoop dat ze de markt volledig domineren maar voor wetenschappelijke experimenten is vaak een nog grotere nauwkeurigheid vereist en daarom hebben kwartsklokken in hedendaagse laboratoria baan moeten ruimen voor atoomklokken. HET ATOOMTIJDPERK VAN DE TIJD Wetenschappers weten al geruime tijd dat atomen (en moleculen) trillen met een welbepaald ritme. Elk chemisch element en elke chemische stof absorbeert elektromagnetische straling van welbepaalde frequenties en kan diezelfde straling ook uitzenden. Die trillingen zijn in ruimte en tijd volkomen stabiel. Een watersofatoom hier en nu ziet er exact hetzelfde uit als een watersofatoom een miljard jaar geleden in een ander melkwegstelsel. En deze eigenschappen zijn nu precies wat we kunnen gebruiken voor nóg nauwkeuriger klokken als we atomen dezelfde rol laten spelen als de slingers van oude klokken. De ontwikkeling van de radar en van EHF radiocommunicatie in de jaren 30 en 40 maakte het mogelijk om die elektromagnetische straling op te wekken die atomen beïnvloedt: microgolven. Onderzoek naar de ontwikkeling van een atoomklok was er eerst op gericht om met microgolven ammoniakmoleculen te laten trillen. In 1949 bouwde het NIST (National Institute of Standards and Technology in de V.S.) de eerste atoomklok, gebaseerd op ammoniak. Nochtans was deze atoomklok niet veel beter dan de toenmalige standaard en daarom richtte men zijn aandacht bijna onmiddellijk op de meer belovende toestellen die werken met atoombundels cesium. In 1957 was de eerste cesiumklok operationeel en kort daarna een tweede om vergelijkende tests te kunnen uitvoeren. Tegen 1960 was de cesiumstandaard voldoende op punt gesteld om de oude tijdstandaard te vervangen. In 1967 werd de natuurlijke frequentie van het cesiumatoom officieel gebruikt voor de internationale eenheid van tijd: de seconde werd gedefinieerd als precies trillingen met het natuurlijke

6 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd ritme van een cesiumatoom. Deze definitie van de seconde verving de oude die nog was gebaseerd op de bewegingen die de aarde maakt. De seconde werd vlug de fysische grootheid die het meest nauwkeurig kon worden gemeten. De beste cesiumklokken zijn tegenwoordig nauwkeurig tot op ongeveer een miljoenste van een seconde per jaar. Een groot deel van ons modern leven hangt af van een preciese tijdmeting. De tijd dat we voldoende hadden aan een klokje dat ongeveer nauwkeurig was tot het dichtsbije kwartier is lang voorbij. Transport, communicatie, processen in fabrieken, elektrische stroomvoorziening en nog vele andere technologieën zijn afhankelijk van supernauwkeurige klokken. Wetenschappelijk onderzoek en de eisen van de moderne technologie zetten aan tot een zoektocht naar steeds nauwkeuriger klokken. Men is momenteel in laboratoria over heel de wereld aan het werken aan een volgende generatie cesiumklokken. TIJD VOOR DE WERELD In de jaren 40 van de 19e eeuw werd een standaardtijd voor heel Engeland, Schotland en Wales ingevoerd, die de verschillende "lokale tijden" moest vervangen. De Koninklijke Sterrenwacht van Greenwich was de spil rond deze hervorming omdat het een sleutelrol had gespeeld in navigatie op zee, gebaseerd op het accuraat bijhouden van de tijd. Greenwich Mean Time (GMT) vervulde vervolgens tot in 1972 de rol van officiële tijdsreferentie voor de hele wereld. De Verenigde Staten richtten in 1830 the U.S. Naval Observatory op om samen te werken met Greenwich en andere sterrenwachten wat betreft de tijdrekening gebaseerd op sterrenkundige waarnemingen. De vroege manier om de tijd te bepalen was nog altijd gebaseerd op navigatie. Het bijhouden van de tijd moest dus de veranderingen in de rotatiesnelheid van de aarde weerspiegelen opdat navigators geen fouten zouden maken. Zodoende werd de USNO belast met het bijhouden van een tijdrekening die verband hield met "aarde-tijd" en ook andere diensten aan te bieden die nodig zijn voor navigatie in de lucht en op zee. Met de komst van zeer preciese atoomklokken beseften geleerden dat het onvoldoende was om tijdrekening te baseren op de beweging van de aarde, die elk jaar enkele duizendsten van een seconde per dag verandert. De nieuwe definitie van de seconde in 1967 verschafte een excellente basis voor het nauwkeuriger meten van tijdsintervallen maar pogingen om deze definitie te koppelen aan GMT (gebaseerd op de aardbeweging) gaven geen voldoening. Uiteindelijk werd een tussenoplossing aangenomen en sinds 1 januari 1972 werd de nieuwe Gecoördineerd Universele Tijd (UTC) de internationaal aanvaarde tijd. UTC loopt in de pas met de atoomklokken maar wanneer het verschil tussen deze atoomtijd en de aarde-tijd ongeveer één seconde is, dan wordt in UTC een "schrikkelseconde" toegevoegd. Atoomklokken in meer dan 25 landen over de hele wereld leveren hun bijdrage tot de gegevens die leiden tot UTC en de hele boel wordt gecoördineerd door het Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten in Parijs.

7 Fysica 3 & 4 TSO (v2002/1) Bijlage 01 - Een wandeling door de tijd DE TIJDZONES Tijdzones waren redelijk overbodig tot de ontwikkeling van nieuwe transportmiddelen het mogelijk maakte om honderden kilometers per dag te reizen. Tot ver in de 19e eeuw rekenden de meeste steden op hun eigen lokale zonnetijd, maar die tijd verandert natuurlijk naarmate je naar het oosten of westen gaat. Onder impuls van het treinverkeer begon langzaamaan het besef te groeien dat het zo niet verder kon en op 1 november 1884 verdeelde de Internationale Meridiaanconferentie in Washington D.C. de wereld in in 24 tijdzones. De 24 standaardmeridianen, elke 15 oost en west van de 0 in Greenwich, werden aangeduid als de middellijnen van de zones. De internationale datumgrens werd zo vastgelegd dat ze ongeveer de meridiaan van 180 in de Stille Oceaan volgt. Omdat sommige landen niet wilden verdeeld worden in verschillende tijdzones, wijken de grenzen tussen de zones soms sterk af van de noord-zuid richting. Surf ook naar