De 50e verjaardag van de atoomtijd

De mens is het enige levende wezen van welke het tijdsbesef zo vergevorderd is dat we het meten tot op de seconde (en veel kleiner). Vierduizend jaar geleden deelden de Egyptenaren hun dag in in twee delen van 12 uur, één voor overdag en één voor ’s nachts, waardoor hun delen in lengte varieerden afhankelijk van het seizoen. Ook de Romeinen gebruikten gelijkaardige indeling, en gingen zelfs verder: de periode met daglicht werd opgedeeld in twaalf horae (uren), en de duisternis viel uiteen in vier vigilia (nachtwachten).

De oudste zonnewijzer ter wereld, uit de Koningsvallei te Egypte (±1500 v. Chr.)
(Publiek domein)

Een van de eerste bronnen die de seconde vermeldt, dateert van duizend jaar geleden. Het is een geschrift van de Persische wetenschapper al-Biruni, die de verdeling tussen Nieuwe manen indeelde in dagen, uren, minuten, seconden, derdes en vierdes. Hoewel derdes en vierdes nu niet meer gebruikt worden, is de seconde en het verdelen van uren in delen van 60 wel blijven hangen. Waarop die seconde dan net gebaseerd is, is het onderwerp van dit artikel, want die definitie is dit jaar namelijk 50 jaar oud!

Tot exact 50 jaar geleden was de exacte duur van een seconde gedefinieerd als een fractie van een jaar. Maar niet zomaar eender welk jaar. De precieze lengte van een jaar is namelijk niet constant, aangezien de rotatie van de Aarde om zijn eigen as niet voldoende uniform is. Door interacties met de maan vertraagt de Aardse rotatie namelijk, waardoor dagen vroeger korter waren dan nu (meer bepaald verlengen de dagen met gemiddeld 2.3 milliseconden, honderdsten van een seconde, per eeuw). Daarom gebruiken we een jaar uit een bepaald epoche. Een epoche is een moment in de tijd dat als referentie gebruikt wordt voor bijvoorbeeld de beweging van hemellichamen als de zon. Hiervoor werd het tropisch jaar 1900 gebruikt, al heeft tropisch hier niets te maken met de gemiddelde temperatuur dat jaar. Een tropisch jaar is de gemiddelde tijd tussen twee passages van de zon door een welbepaald punt. Omdat de aardas zelf ook beweegt als een tol (een beweging die precessie genoemd wordt), is een tropisch jaar iets korter dan een siderisch jaar, dat de tijd bedraagt die de zon erover doet om terug te keren naar precies dezelfde plek ten opzichte van de sterren. Als we gebruik maken van het tropische jaar voor 1900, wordt een seconde gedefinieerd als een 31 556 925.9747e hiervan.

Toen in de jaren ’60 van de vorige eeuw de atoomklok werd ontwikkeld, kon de definitie van een seconde nog verder verfijnd worden. Daarvoor kijken we nu namelijk niet naar enorme astronomische lichamen die zich lichtjaren van ons bevinden, maar naar de onvoorstelbaar kleine atomen waaruit alles opgebouwd is en die zich in en rondom ons bevinden. Wetenschappers ontdekten namelijk dat de frequentie van de lichtgolf die wordt uitgestuurd bij de hyperfijne transitie van het cesiumatoom, een duidelijke relatie vertoont met de seconde gebaseerd op de beweging van de Aarde rond de zon. Deze seconde duurde namelijk 9 192 631 770 ± 20 cycli van de gekozen frequentie (ook wel uitgedrukt in de eenheid Hertz, Hz, aantal cycli per seconde). Een bijzonder robuuste keuze: we meten hiermee de lengte van de seconde met een precisie alsof we de lengte van 1.4 miljoen jaar op een seconde juist zouden bepalen.

De exacte definitie voor de seconde in het internationale systeem der eenheden luidt sindsdien:

“the duration of 9 192 631 770 periods of the radiation corresponding to the transition between the two hyperfine levels of the ground state of the caesium-133 atom”

Schematische voorstelling van fijne en hyperfijne energieniveaus van het waterstofatoom (Publiek domein). Zoals je kan lezen in Hart van de Materie episode 12 kunnen elektronen verspringen tussen verschillende energieniveaus. In het alkalimetaal cesium zit er een eenzaam elektron in de 6s-orbitaal (Hart van de Materie episode 14. Dit ene elektron ondergaat een zeer subtiele interactie met de (zware) kern in het atoom. Die interactie laat de energie van elektron een zeer klein beetje toenemen, en wanneer het elektron die energie terug uitstuurt (wanneer het terugkeert naar de oorspronkelijke situatie), stuurt het een lichtgolf uit met een frequentie van 9 192 631 770 ± 20 Hz.

Geplaatst door Marjolein op 05/11/2017 om 20:02