Tijd (1): hoe lang is een seconde?

Een minuut is een minuut, en een uur is een uur. Ook al lijkt de tijd soms te vliegen; de lengte van een seconde is precies vastgelegd. Wat is een seconde?

Deel 1 van een serie. In dit bericht:
– Lang bepaalt ons zonnestelsel de tijd.
– Vanaf 1971 draait het om 9.192.631.770 trillingen.
– De nauwkeurige atoomklok kan nóg beter.

Seconde: van aardrotatie naar atomen

Het simpelste antwoord op de vraag wat een seconde is: 1/60e van een minuut, die op zijn beurt 1/60e van een uur is. 24 uren samen is een dag. Maar het is ingewikkelder, en de definitie van een seconde is al een paar keer veranderd.

Om de eenheid tijd voor iedereen gelijk te maken moet je het tegen iets afzetten, iets dat voor iedereen hetzelfde is. Lang wordt ons zonnestelsel daarvoor gebruikt. Bepalend daarbij: hoe lang doet de aarde er over om rond zijn as te draaien, hoe lang doet de aarde er over om rond de zon te cirkelen, en welke tijd heeft de maan nodig voor een rondje rond de aarde? Sterrenwachten leveren de gegevens.

Een etmaal wordt vastgesteld als het moment waarop de zon precies boven de nul-meridiaan in Greenwich (bij Londen) staat totdat die weer op die plek staat. Dat komt neer op de periode van twaalf uur ’s middags tot de volgende twaalf uur ’s middags.

Een etmaal is 24 uur, een uur 60 minuten, en een minuut 60 seconden. Dus: 24 x 60 x 60 = 86.400. Een seconde is volgens die berekening officieel 1/86.400e van een etmaal.

Atoomtrillingen

De aarde draait niet altijd even snel waardoor een seconde de ene keer een fractie langer kan zijn dan de andere keer. Dat is onwenselijk. Vanaf de jaren ’50 van de 20e eeuw zijn er experimenten met atoomklokken die uiterst nauwkeurig zijn. Het aantal trillingen in het cesium-atoom bepaalt daarbij hoe lang een seconde duurt.

De definitie voor de lengte van een seconde wordt aangepast in 1967 en 1971. Op dit moment luidt de officiële definitie van een seconde: The second is 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.

Onder invloed van microgolven gaat het cesium-atoom ‘trillen’. Het atoom neemt energie op en verliest die energie weer. Dat proces gaat heel snel en als dat 9.192.631.770 keer is gebeurd, is één seconde voorbij. Het cesium-atoom moet dan wel een temperatuur hebben van 0 graden op de Kelvin-schaal; dat is omgerekend: -273 Celcius.

Het kan nog nauwkeuriger want de opvolger van de cesium-atoomklok staat al klaar: de klok met een strontium-atoom is duizend keer stabieler, maar voor die onze tijd overneemt moet er nog volop worden getest.

De tijd vliegt
Soms lijkt tijd sneller te gaan. Dat kan helemaal niet, maar je ervaart het wel zo. Hoogleraar Douwe Draaisma zegt in 2010 in Trouw dat je soms, bij plotselinge veranderingen, meer adrenaline aanmaakt waardoor je hersenen sneller werken en de tijd sneller lijkt te gaan.

Bij een aardbeving zeggen slachtoffers bijvoorbeeld dat het minutenlang trilt, terwijl seismologen maar een beving van hooguit twintig seconden registreren. Andersom werkt dat ook, zoals als je wacht op een trein. Volgens Draaisma is wachten monotoon. Saai dus, met minder prikkels, waardoor de tijd langzamer lijkt te gaan. Hij heeft er een boek over volgeschreven.

We weten nu hoe lang een seconde is, maar wie bewaakt de tijd? Dat staat in deel 2.

Geraadpleegde bronnen:

• First Atomic Clock – NIST
• Future of the International Time Scale, Vincent Meens – International Telecommunication Union
• Is noon 12 am or 12 pm? – Royal Museums Greenwich
• Physical methods, instruments and measurements – volume 1, redactie: Yuri Mikhailovich Tsipensvuk, uitgegeven door EOLSS Publications
• SI Brochure Appendix 2. Practical realization of the definition of the unit of time – Bureau International des Poids et Mesures
• The International System of Units (SI), uitgave 2006, Bureau International des Poids et Mesures
• The most precise atomic clock ever made is a cube of quantum gas – NewScientist