Wetenschappers presenteren doorbraak voor extreem nauwkeurige 'nucleaire klok'

Wetenschappers hebben een belangrijke stap gezet naar een nieuw soort klok: de nucleaire klok, die een stuk nauwkeuriger zou zijn dan de huidige klokken. Deze klok houdt de tijd bij aan de hand van signalen uit de kern van een atoom.

Wetenschappers vermoeden al sinds 2003 dat een nucleaire klok mogelijk is. Onderzoekers van Jila, een onderzoeksinstituut van de National Institute of Standards and Technology, ofwel NIST, en de University of Colorado Boulder, hebben alle essentiële delen voor deze klok gemaakt en aangetoond dat deze werken, schrijft wetenschappelijke vakblad Nature, waarin de wetenschappers hun bevindingen ook hebben gepubliceerd.

De zogenaamde Thoriumklok - het prototype gebruikt het natuurlijk voorkomende radioactieve metaal thorium - lijkt qua werking op de atoomklok, momenteel de nauwkeurigste klok. Atoomklokken gebruiken lasers om de tijd bij te houden. Die lasers worden zo afgesteld dat de elektronen in een atoom van de ene energietoestand naar de andere overgaan. Door de daardoor ontstane trillingen te meten, kan het verloop van de tijd zeer nauwkeurig gemeten worden. Dergelijke klokken zijn zo precies dat ze slechts 1 seconde per 40 miljard jaar afwijken.

De beoogde nucleaire klok werkt ook met lasers, maar richt zich op een ander deel van het atoom. In deze klok wordt de energietoestand van protonen en neutronen gemeten, die samen de kern van het atoom opmaken. Daarvoor is een hogere frequentie nodig, wat voor een hogere 'tiksnelheid' zorgt, waardoor de klok nóg nauwkeuriger is. De wetenschappers stellen dat deze klok een afwijking van slechts één seconde in meer dan 300 miljard jaar heeft. Bovendien is de kern van een atoom minder gevoelig door invloeden van buitenaf, zoals elektromagnetische velden, waardoor een nucleaire klok robuuster kan zijn.

Technisch gezien hebben de wetenschappers nog geen prototype van de klok gemaakt, aangezien het apparaat niet gebruikt is om de tijd te meten, benadrukt Nature. Toch is er sprake van een doorbraak, stelt onder meer atoomfysicus Marianna Safronova van de University of Delaware in het vakblad. Op basis van de resultaten wordt de ontwikkeling van een nucleaire klok namelijk wel realistischer, zegt zij.

Extreem accurate klokken zijn belangrijk voor diverse technologieën, zoals gps en internetsynchronisatie. Wetenschappers denken dat de Thoriumklok mogelijk nog preciezere navigatiesystemen mogelijk kan maken, net als sneller internet, betrouwbaardere netwerkverbindingen en veiligere digitale communicatie, zegt NIST in een persbericht. Daarnaast kunnen nucleaire klokken mogelijk tests van fundamentele theorieën over de werking van het heelal verbeteren, wat tot nieuwe ontdekkingen in de natuurkunde kan leiden.

Bron: N. Hanacek/NIST

Reacties (99)

[CH4OS]

Ik begrijp dat accuraatheid belangrijk is, ook voor welke andere technologieën. Maar wat ik niet begrijp is hoe een nog accuratere klok daarbij gaat helpen voor die technologieën, of in het algemeen. Of anders gezegd, wat de consequenties zijn wanneer dit niet (zo) accuraat is, wat dan de gevolgen kunnen zijn. Ik begrijp niet hoe tijd kan zorgen voor accuratere positionering bepaling bij gps bijvoorbeeld.

[Pannekoek17]

Positiebepaling van GPS is gebaseerd op triangulatie, door het combineren van signalen (timestamps) van meerdere satellieten en naar de verschillen te kijken. Ik kan me dus voorstellen dat preciezere tijd voor een nauwkeurigere positiebepaling zorgt.

Verder las ik ook dat hoogtemetingen een stuk preciezer worden, omdat klokken op een grotere hoogte (verder van een gravity well zoals de aarde) een heel klein beetje sneller lopen. Het verschil tussen een klok op zeeniveau en een klok op een hoog gebouw of berg wordt met deze klokken dus nog duidelijker.

[Wilke]

Voor een praktische demonstratie van het effect dat klokken sneller lopen naarmate je hoger bent, iemand wilde dat effect graag aan zijn kinderen laten zien, en heeft daarom 2 atoom-klokken een berg mee opgesleept tijdens een weekend-trip. Hier de foto's:

http://www.leapsecond.com/great2005/tour/

En een korte samenvatting:

https://www.diyphysics.co...time-dilation-experiment/

[Reactie gewijzigd door Wilke op 5 september 2024 09:30]

[Accretion]

Ik hoop dat die nieuwe klok daar dan geen last van heeft.

Heb je afgesproken dat ze je om 15:00:00.000.0000 ophalen aan de voet van de berg, staat je daar vervolgens nog een yoctoseconde te wachten voordat ze eindelijk aan komen rijden.

Maar even serieus, een seconde is toch afgeleid van een cesiumatoom, gaat die ook sneller trillen op hoogte?

[theseboetz]

Het cesiumatoom gaat niet sneller trillen, de tijd gaat sneller op hoogte. Voor een waarnemer op lagere hoogte lijkt het atoom sneller te trillen, maar voor iemand op grotere hoogte lijkt het langzamer te gaan. In werkelijkheid verloopt de tijd anders.

[De_Daapse]

Ik ben wel blij dat mijn tandarts op de 1e verdieping zit. Des te sneller gaat de tijd als ik daar ben.

[beerse]

Waar de seconde van is afgeleid, is afhankelijk aan wie je het vraagt. De astronoom zou kunnen zeggen dat het 1/60 van een minuut is. De minuut is 1/60 van een uur. Het uur is 1/24 van een omloop van de zon rond de aarde. En dat met alle variatie van dien.

De natuurkundige zou zeggen dat een seconde een vaste waarde moet hebben en voor die groep is deze klok nu een stukje nauwkeuriger. Voor zover ik begrijp vaan we van 8 naar 10 cijfers achter de komma.

En voor zover ik het begrijp is ook de afwijking die de astronoom in de draaiing van de planeten meet, door natuurkundigen ook te zien in de 'oude' atoomklok omdat die op de elektronen is gebaseerd. Die blijken ook wat losjes rond de kern te draaien. Deze nieuwe thoriumklok werkt op de trillingen van de kern van een atoom en dat lijkt stabieler te zijn. Die heeft minder deviatie, minder afwijking.

Natuurlijk alles tot ze hier weer verder aan gaan meten en blijkt dat het ergens nog nauwkeuriger kan...

[aikebah]

Waar de seconde van is afgeleid, is afhankelijk aan wie je het vraagt. De astronoom zou kunnen zeggen dat het 1/60 van een minuut is. De minuut is 1/60 van een uur. Het uur is 1/24 van een omloop van de zon rond de aarde. En dat met alle variatie van dien.

Ik dacht dat de astronomen al lang weten dat de zon niet rond de aarde draait. Ik denk dat die astronoom zou zeggen dat het uur 1/24e van een omwenteling van de aarde om zijn eigen as is.

[beerse]

Wat er in het heelal om wat heen draait is relatief.
Ten aanzien van de 24 uur klok is het dat de zon om de aarde heen draait. Dat is de 24 uur waarop de dag is gebaseerd. Daarom noemde ik dat zo.
Als je kijkt naar de aarde die om de zon draait, dan duurt dat ongeveer een jaar.
Als je kijkt naar de aarde die om haar as draait, dan is dat geen 24 uur omdat de aarde ondertussen ook een stukje om de zon heen draait wat daarin een afwijking geeft.

[aikebah]

Nog steeds draait die zon niet om de aarde, maar de aarde om haar as (en de zon). En inderdaad zorgt het ook nog draaien om de zon dat die 24 uur iets meer is dan de tijd voor de omwenteling,..

Maar als je dan toch zo graag de astronomen erbij neemt...
https://www.sron.nl/news/...en%20baan%20om%20de%20Zon.

De 24 uur is gebaseerd op te tijd tussen twee opeenvolgende hoogste zonnestanden, die de resultante zijn van (voornamelijk) de draaiing van de aarde om haar eigen as en (een klein beetje) om de zon.

[Reactie gewijzigd door aikebah op 5 september 2024 21:25]

[Stoney3K]

Ik hoop dat die nieuwe klok daar dan geen last van heeft.

Jammer voor jou, die nieuwe klok (of welke klok dan ook) heeft daar ook last van, want op een andere hoogte is de zwaartekracht van de aarde net iets minder.

Dat betekent dat de ruimte-tijd vervorming als gevolg van die zwaartekracht minder is, en dus letterlijk de tijd langzamer sneller verstrijkt door tijddilatatie.

GPS satellieten moeten zichzelf ook continu corrigeren met een signaal op afstand omdat de klokken anders achter voor gaan lopen, en je daardoor drift in je lokatie-signaal krijgt.

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 5 september 2024 15:07]

[teek2]

Precies, het zou pas een doorbraak zijn als deze klok daar geen last van zou hebben. Dat zou namelijk betekenen dat het heelal toch weer anders werkt dan we dachten.

[BadRespawn]

Ik hoop dat die nieuwe klok daar dan geen last van heeft.

Om op een andere manier te zeggen wat anderen gezegd hebben:
Het heeft niets te maken met de klok, het is een fundamentele eigenschap van tijd. Zie Algemene Relativiteitstheorie.

een seconde is toch afgeleid van een cesiumatoom, gaat die ook sneller trillen op hoogte?

Relatief tov een cesiumatoom op lagere hoogte, ja. Gemeten in de lokale tijd van het cesiumatoom op grotere hoogte, nee.

[Accretion]

Behoorlijk lastig voor te stellen dat de ene seconde sneller is dan de andere seconde.

Een tijdsbron die niet beïnvloed wordt door zwaartekracht bestaat niet of is dat omdat het niet voldoet aan onze definitie van 'tijd'?

[BadRespawn]

Tijd (en ruimte) zelf worden beïnvloed door zwaartekracht, daar doe je niets aan.

[poefpoef]

Uit de beschrijving:
“Mom says goodbye to us. She stayed behind to study for her nursing board exams.
We would come back about 20 ns older compared to her.

Or, the other way to look at it (since this is relativity after all), is that she would become 20 ns younger than us upon our return. Note to husbands: this could be a useful gift idea for your wife.”

[Skit3000]

Hoogtemetingen op die wijze hebben pas nut zodra de gebruikte klok klein genoeg is dat je 'm ook mee kunt nemen de berg op. Als het de grootte van een zeecontainers is kun je er nog weinig mee. Maar, om op hetzelfde onderwerp door te gaan; een exactere klok kan ook een rol spelen in wereldwijde wetenschappelijke projecten waarbij metingen op exact hetzelfde moment moeten worden gedaan.

[beerse]

Voor het doen van lokatie bepalingen met gps of vergelijkbare techniek hoef je zelf niet zo'n nauwkeurige klok te hebben. De zender moet de nauwkeurige klok hebben, jij bent alleen maar de ontvanger. Jij hoeft alleen maar een aantal klokken met elkaar te vergelijken.

Net zo'n beetje als de tijdwaarneming bijvoorbeeld bij wedstrijden: Je hoeft niet te weten hoe laat de wedstrijd begint en hoe laat ze eindigt. Je hoeft alleen maar te weten hoeveel tijd er is verstreken tussen start en finish. Door dat te doen met een aantal klokken parallel kan je de meting nauwkeuriger maken.

[CivLord]

Omdat deze nieuwe methode zoveel minder gevoelig is voor invloeden van buitenaf, kan het ook veel compacter/ lichter/ worden uitgevoerd. Volgens een wetenschapper van de UvA, die in het artikel van de NOS wordt aangehaald, past deze klok in een kristalletje.
Er zal ongetwijfeld een flink prijskaartje aan hangen, maar zodra het hele concept is uitgewerkt en toepasbaar is geworden, zal het in een handheld GPS-ontvanger kunnen worden ingebouwd.

[Mars4i]

Het artikel heeft het inderdaad over GPS en internet synchronisatie. Maar denk niet dat het daarvoor gebruikt gaat worden.

1 sec op 300 miljard jaar is 1 op 1.7E19 seconden. In 1 tik van deze klok legt licht (EM straling) 1.8E-11 meter af. Dat zijn de afmetingen van atomen (Atoomstraal waterstof is 3.7E-11 m). Zo'n nauwkeurigheid heb je niet nodig.

Maar met zo'n klok kan je dus wel andere (chemische) processen of afstanden extreem nauwkeurig meten. Ook op atoomschaal.

[Milt]

Het is al wat jaren geleden dat ik actief was GPS maar als ik me goed herinner wordt de tijd vooral gebruikt door de ontvanger om te bepalen welke GPS satellieten voor hem zichtbaar zijn. Hiervoor wordt in de ontvanger een lijst bijgehouden (dit wordt de almanac genoemd). De data hiervoor wordt ook via de GPS signalen uitgezonden.

Als de ontvanger weet welke GPS satellieten voor hem zichtbaar zijn aan de horizon dan zal de ontvanger luisteren naar de uitgezonde signalen van deze satellieten en op basis hiervan de positie bepalen. Het kijkt hier inderdaad naar verschillen maar niet met timestamps maar de fase verschuiving, vergelijkbaar met het doppler effect.

[Soggney]

Door de tijd te meten dat een signaal aflegt tussen verzender (satteliet) en ontvanger (auto) waarbij de tijd bepaald in welke mogelijke positie je bent. Want een meter dichter of verder duurt het al langer eer het signaal aankomt, maar dat zijn natuurlijk fracties van seconden

[3raser]

Een meter dichterbij of verder weg zijn zelfs fracties van een microseconde. Radiogolven hebben een snelheid van 300.000.000 meter per seconde. Dus om de afstand van 1 meter te bepalen praat je over tijdeenheden van 1/300.000.000e seconde.

[Gwaihir]

Ook ik las in het artikel nogal een oefening in theoretische mogelijkheid, i.p.v. enig praktisch nut: van iets wat al 40 miljard jaar goed gaat, naar 300 miljard jaar, klinkt niet totaal irrelevant.

Fijn dus, @CH4OS dat je dat gelijk benoemt en @3raser dat je het vervolgens als nog weet te vertalen naar het praktisch nut wat er klaarblijkelijk wel degelijk is. Ik probeer het even door te vertalen:

De atoomklok is nauwkeurig op 1 op 1.261 x 10¹⁸ seconden. Zou ik kijken hoe ver licht aflegt in 1.261 x10^-18, dan kan ik er met deze klok dus 100% naast zitten. Dat vind ik veel teveel, dus laat me kijken wat ik met een nauwkeurigheid van ca. 1% kan meten. In die periode legt licht ca. 38 nm af.

Afstandsmeting op basis van een atoomklok en golven (zoals een laser of genoemd GPS signaal) kan met een atoomklok dus op pakweg 38 nm nauwkeurig. Deze nieuwe nucleaire klok is 7,5 keer nauwkeuriger, dus kun je er op pakweg 5 nm nauwkeurig mee meten.

(En daarmee denk ik dat we zo'n ding gelukkig niet in elk GPS ontvanger in hoeven bouwen, maar dat er zeker toepassingen voor zijn.)

[Reactie gewijzigd door Gwaihir op 5 september 2024 10:00]

[YopY]

Wat ik niet helemaal in het artikel lees maar waar wel naar verwezen wordt is dat de nucleaire klok een hogere "tiksnelheid" heeft; een atoomklok heeft 9.192.631.770 'tikken' per seconde. Als ik dit wiki artikel goed lees, een vertraging of imprecisie van 1 nanoseconde (1 miljardste van een seconde) zorgt al voor een GPS positieverschil van 30 cm. Als deze uiteindelijke klok vaker per seconde 'tikt', en dat consistent doet, kunnen ze nog preciezer tijd meten en nog preciezer locatie bepalen. Wat ze daar vervolgens mee willen doen weet ik niet, ik denk niet dat bijv. autonavigatie of die van geleide bommen met centimeters preciezer hoeft.

Aan de andere kant, sci fi hoedje op, super precieze geleide wolfraam-kogels die uit de ruimte afgeschoten worden om iemand te doden zonder collateral damage.

[3raser]

...ik denk niet dat bijv. autonavigatie of die van geleide bommen met centimeters preciezer hoeft.

Says no one ever.

Als iets nauwkeuriger kan dan is er altijd vraag naar en een doel voor. Al ik het maar om de geografische locatie van een mier te volgen. Want dan is een afwijking van 30 cm in eens weer heel veel.

[itcouldbeanyone]

Hmm wat dacht je van metingen op een brug, om zo uit te kunnen rekenen wanneer deze onderhoud nodig heeft, doormiddel van meerdere ontvangers te plaatsen op verschillende delen.
Of als zwaartekracht golf detectie.
In theorie kan je zelfs meten of een zwaar object in de buurt passeert, om bijvoorbeeld het gewicht van een vrachtwagen te meten puur omdat zijn massa een nihiel iets van time-dilation met zich mee brengt.
Zo zijn er vast meerdere dingen te bedenken

[sebastiaanl]

Dat noemt het artikel van Nature oa, deze klok is minder gevoelig van elektromagnetische straling en ander invloeden van buitenaf. Ze noemen ook dat de klok daardoor beter te transporteren is.

[dyrc]

stel je hebt meerdere bronnen die een signaal verzenden(tijdstip).
die ontvang je, en je kijkt naar het tijdsverschil tussen de bronnen, dan kan je je positie bepalen.
hoe nauwkeuriger de klok, hoe nauwkeuriger je bepaling.

een zelfrijdende auto die op de mm nauwkeurig rijdt is natuurlijk handiger dan een auto met 5meter nauwkeurigheid

[Reactie gewijzigd door dyrc op 5 september 2024 08:31]

[lenwar]

Dit had ik ook.
De consumenten (niet-militaire) versie van GPS is bewust minder accuraat gemaakt dan de volwaardige technologie. En waarvoor ‘we’ het gebruiken: Navigatie, landmetingen, enz. Voldoet het helemaal prima. Zeker voor navigatie gaat een precisieverschil tussen 2 meter of 10 centimeter geen praktisch verschil maken. (Voor landmetingen natuurlijk wel.)

Hetzelfde voor computernetwerken. Ik werk zelf met systemen die vanuit regelgeving met het PTP-protocol moeten werken. is een soort NTP on steroids voor degenen die het niet kennen.
We hebben dus hardware met kleine stukjes radioactief materiaal, waarvan het verval gemeten wordt in de klokafwijking te sturen/meten.

Die klokken zijn precies op ‘sub-microseconde’ waar NTP alleen milliseconden garandeert.
NTP is in de praktijk voor vrijwel alles ruim voldoende precies.

Uiteraard is het goed om een nog preciezere meting te hebben, maar ik denk zelf dat op een bepaald moment de hogere precisie voornamelijk een statistisch ding wordt. Net zoals het uitrekenen van pi.
Zover bij mij bekend is ieder getal met meer dan 100 cijfers na de komma compleet zinloos voor welke berekening dan ook. Zelfs organisaties als NASA en CERN die werken met extreem grote en kleine getallen gebruiken dit niet.
Nou is het natuurlijk een doel op zich geworden om pi nog preciezer te berekenen, en leert men gaandeweg zaken die zinvol kunnen zijn, maar de uiteindelijke berekening is maar beperkt nuttig.

[AWiersma]

De consumenten (niet-militaire) versie van GPS is bewust minder accuraat gemaakt dan de volwaardige technologie. En waarvoor ‘we’ het gebruiken: Navigatie, landmetingen, enz. Voldoet het helemaal prima. Zeker voor navigatie gaat een precisieverschil tussen 2 meter of 10 centimeter geen praktisch verschil maken. (Voor landmetingen natuurlijk wel.)

Voor bijvoorbeeld de landbouw wordt GPS RTK gebruikt om op de cm nauwkeurig plantjes te zaaien/poten. Als dit straks zou kunnen zonder grondstation zou dat wel een mooie verbetering zijn. Ook handig om bijvoorbeeld een robot grasmaaier aan te sturen zonder dat je een draad moet spannen.

[Kazu]

De consumenten (niet-militaire) versie van GPS is bewust minder accuraat gemaakt dan de volwaardige technologie. En waarvoor ‘we’ het gebruiken: Navigatie, landmetingen, enz. Voldoet het helemaal prima.

Je hebt het over 'we', dus ik ga uit van consumenten. Daar is inderdaad de extreme nauwkeurigheid niet voor nodig. Voor een groot deel van de grondverzet/landbouw wereld (en nog wel wat andere takken) voldoet de standaard GPS nauwkeurigheid niet, ook van nieuwere systemen als Galileo waarin die kunstmatige afwijking niet zit ingebouwd. Voor deze bedrijfstakken is millimeter GPS nauwkeurigheid nodig, waardoor het GPS signaal met extra basisstations gecorrigeerd wordt om tot deze nauwkeurigheid te komen. Dus ik kan me goed voorstellen dat deze nieuwe kloktechniek ook bij deze technieken tot nieuwe oplossingen gaat komen.

[Reactie gewijzigd door Kazu op 5 september 2024 09:35]

[lenwar]

Het artikel haalde specifiek de consumenten-eisen aan, dus aldoende mijn primaire reactie hierop.

Uiteraard zijn er commerciële eisen die meer precisie nodig hebben dan onze auto-navigatie. Daar zijn ook gewoon commerciële contracten voor om, net als het leger, met twee frequenties te werken ipv de publieke één-frequentie-systemen.

Maar ik vraag me dus af of die preciezere klokken hier aan gaan bijdragen. De klokken in de GPS-satellieten hebben een afwijking van een paar nanoseconden. Ik kan me haast niet voorstellen dat een nog preciezere klok daadwerkelijk gaat zorgen voor nog preciezere metingen op de grond (dus inclusief de atmosferische verstoringen e.d.)

Misschien zit ik er helemaal naast hoor. Maar ik kan het me niet voorstellen dat deze klokken (en wanneer ze dan mettertijd in alle satellieten en in de nieuwe grondmeetapparatuur gestopt zijn) grondstations (deels) overbodig gaat maken. Mede omdat GPS-satellieten relatief laag hangen (op ruim 20000 km hoogte. Ter vergelijking. Een communicatie-satelliet moet boven de 36000 km hangen (om hem geostabiel te houden.))

Maar nogmaals. Misschien zit ik er helemaal naast

[Kazu]

Oh, zeker, je hebt helemaal gelijk hoor. Die correcties zijn ook nodig om inderdaad de atmosferische storingen te corrigeren, dus alleen deze nieuwe klokken gaan niet alle problemen met GPS verhelpen Ik had je reactie te snel gelezen, dus ging voor een deel voorbij aan de boodschap die je plaatste, my bad.

[thomas_n]

Uiteraard is het goed om een nog preciezere meting te hebben, maar ik denk zelf dat op een bepaald moment de hogere precisie voornamelijk een statistisch ding wordt. Net zoals het uitrekenen van pi.
Zover bij mij bekend is ieder getal met meer dan 100 cijfers na de komma compleet zinloos voor welke berekening dan ook. Zelfs organisaties als NASA en CERN die werken met extreem grote en kleine getallen gebruiken dit niet.
Nou is het natuurlijk een doel op zich geworden om pi nog preciezer te berekenen, en leert men gaandeweg zaken die zinvol kunnen zijn, maar de uiteindelijke berekening is maar beperkt nuttig.

Als het ontwikkelen van deze nieuwe klok enkel om praktische toepassingen ging, zou ik je gelijk geven (al weet je natuurlijk nooit wat mensen ermee gaan doen als het eenmaal beschikbaar is), maar deze uitvinding dient een hoger doel dan praktische toepassingen: fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.

In de deeltjesfysica, maar ook in de astronomie, bijvoorbeeld voor het waarnemen van zwaartekrachtgolven, wat ons een volstrekt nieuwe kijk op het universum begint te geven, kan een nauwkeuriger klok tot baanbrekende nieuwe observaties leiden.

[lenwar]

Als het ontwikkelen van deze nieuwe klok enkel om praktische toepassingen ging, zou ik je gelijk geven (al weet je natuurlijk nooit wat mensen ermee gaan doen als het eenmaal beschikbaar is), maar deze uitvinding dient een hoger doel dan praktische toepassingen: fundamenteel wetenschappelijk onderzoek.

Hier ga ik zeker in mee. Net als het berekenen van pi op zoveel duizend karakters na de komma. Je hebt niks aan de uitkomst, maar de methodiek die je ervoor gebruikt kan ook zinvol zijn voor andere zaken.
Ik zal zeker niet zeggen dat het onderzoek zelf geen waarde heeft, maar de voorbeelden die hier in het artikel aangehaald worden, vind ik op z'n best discutabel.

Zaken als 'meer betrouwbare netwerken' en 'betere GPS' geloof ik niet zo in met deze techniek.

[Kaasje123]

Ja of sneller internet? Het hele artikel dacht ik wat is het praktisch nut om zo precies te zijn en toen de redenen werden beschreven dacht ik alleen maar huh?

[thomas_n]

Wetenschappelijk onderzoek gaat meestal niet om praktisch nut, maar om het vergroten van onze kennis. Eventueel praktisch nut is onvoorspelbare bijvangst.

Een nauwkeuriger klok is van groot belang voor fundamenteel onderzoek in de natuurkunde en astronomie.

[Dutchshorty]

Ik heb ooit ook eens begrepen dat dit soort klokken in te zetten als hoogte meter tov grote massa's. Het idee is dat de zwaartekracht van de massa de tijd vertraagd van de klok. Ob basis van het verschil met een klok in orbit kan je dan de hoogte meten. Ik kan me voorstellen dat zo'n accuratere klok daar bij kan helpen.

Geen idee of dit trouwens echt gebruikt wordt, maar had het eens mee gekregen en het klinkt plausibel.

[sjorsbeans]

precies dit. Als moderne systemen beide een "oude" atoomklok gebruiken welke slechts 1 seconde afwijkt in 40 miljard jaar ( waar hebben we het over). Kan ik mij echt moeilijk voorstellen wat voor eeen "verbetering" 1 seconden in 300 miljard jaar heeft. Denk dat je met middelen op andere facetten meer winst boekt op de lange termijn. Zal wel weer een prestige project zijn, min / maxing .

[RJG-223]

precies dit. Als moderne systemen beide een "oude" atoomklok gebruiken welke slechts 1 seconde afwijkt in 40 miljard jaar ( waar hebben we het over). Kan ik mij echt moeilijk voorstellen wat voor eeen "verbetering" 1 seconden in 300 miljard jaar heeft. Denk dat je met middelen op andere facetten meer winst boekt op de lange termijn. Zal wel weer een prestige project zijn, min / maxing .

Nauwkeurigere klokken hebben wel degelijk nut. Bijvoorbeeld voor een betere GPS, of voor het lokaal meten van zwaartekrachtafwijkingen. Daarmee kunnen ze bijv. grotten ontdekken, of magmakamers, e.d.

En er zijn vast nog talloze andere nuttige toepassingen. Ik denk dat als je je een beetje erin verdiept, je er op internet zo een aantal kunt vinden.

[leonbong]

In gps zit een bewuste fout. Het Amerikaanse leger kan de fout zelfs dynamisch vergroten of verkleinen. Militaire ontvangers hebben geen last van deze bewuste fout.

[BadRespawn]

Ik begrijp niet hoe tijd kan zorgen voor accuratere positionering bepaling bij gps bijvoorbeeld.

Potitiebepaling mbv GPS is gebaseerd op de afstand tussen satellieten en de ontvanger, om de afstand te meten moet je weten hoe lang het signaal onder weg is van een satelliet naar de ontvanger, en om te weten hoe lang het signaal onderweg is moet je weten wanneer het is verzonden en wanneer het is ontvangen - met extreem grote nauwkeurigheid omdat die signalen met de lichtsnelheid gaan en de afstand relatief klein is.
De afstanden zijn in de ordegrootte van 100-en km, de reistijden in de ordegrootte van milliseconden, als je positie wil bepalen met een nauwkeurigheid van meters, moet je dus de reistijden weten met een nauwkeurigheid van micro-seconden. Hetzelfde GPS systeem wordt gebruikt voor militaire toepassingen met een nauwkeurigheid van meters, daarvoor is tijdsbepaling tot op nanoseconden nodig.

Het verschil in het verloop van tijd tgv verschil in zwaartekracht op een paar 100km vanaf de Aarde is tientallen microseconden per dag https://www.astronomy.ohi...e.1/Ast162/Unit5/gps.html. Dus daar moet rekening mee worden gehouden. Zonder dat zou de positiebepaling steeds onnauwkeuriger worden, iets in de trant van 20km per dag.

[rjmno1]

Denk aan de bepaling van ruimtevaart modules die kunnen koppelen en loslaten wanneer de tijd rijp is voor te doen een seconde op zoveel miljart jaar dat zit wel goed.

We hebben hier thuis ook een atoom klok die een signaal krijcht van duitsland en de juiste tijd rapporteerd.
Dat vind ik nogal genoeg voor het huis tuin en keukenwerk waarom wij het gebruiken.

Ze hebben nog geen model gemaakt maar is wel technisch mogelijk.Laat ze eerst maar eens een demo model maken voordat we harder gaan juichen.

[manuarmata]

Relativiteit. Het is zeker de moeite om je eens in te lezen in de relativiteitstheorie als je nog niet bekend zou zijn met de materie. Lieven scheire heeft er destijds een hele mooie show over gemaakt.

https://duckduckgo.com/?h...2Fwatch%3Fv%3DiA5NNwpO2wc

[Sorcerer8472]

Hebben relativistische factoren niet inmiddels een veel grotere invloed op de precisie van zulke klokken?

Afhankelijk van of de klok ergens op aarde bij een dichte rotsformatie (=veel massa) staat zal hij al langzamer of juist sneller lopen. Ook de plek op aarde, dichter bij de evenaar of dichter bij de polen, zal al tot een groter verschil leiden lijkt me.

Heb dit niet uitgerekend trouwens

[Robbaman]

Dat maakt voor degene die de klok afleest niet uit lijkt me, die staat naast de klok. Relativisme is.... relatief, dus alleen maar merkbaar wanneer je het gaat vergelijken met een andere observer.

Ik stel me zo voor dat het daarom juist handig is om NOG nauwkeurigere klokken te hebben, zodat je het relativistische effect tussen twee meetpunten nog beter meetbaar kunt maken.

[Sorcerer8472]

Goed punt! Daarnaast kun je de klok dan ook gebruiken om (meer, preciezer) andere zaken te meten.

[svenk91]

De klok is dan even precies, die houden het verloop van tijd gewoon netjes bij. Voor verschillen tussen klokken omdat de tijd anders verloopt moet je dan zelf corrigeren, volgens mij speelt dit met gps satellieten ook gezien die zo snel om ons heen tollen. Maar dat lijkt mij goed uit te rekenen.

[Pep7777]

Sterker nog, Hoe beter je het verschil tussen hoe tijd verloopt in de satteliet en hoe tijd verloopt op de grond kan meten hoe nauwkeuriger de positie bepaling is. En dat verschil hangt af van zowel de snelheid als van de hoogte van de satteliet (sterkte zwaartekract/mate van ruimte-tijd vervorming)

[vide]

Voor GPS is inderdaad een relativistische correctie nodig, anders zou je je positie met kilometers onzekerheid hebben (zie bijvoorbeeld https://www.gpsworld.com/inside-the-box-gps-and-relativity/). Da's ook ongeveer de enige toepassing van relativiteitstheorie waar de meeste mensen gevolg van hebben.

[Reactie gewijzigd door vide op 5 september 2024 09:03]

[avlt]

De klok in GPS-satelieten lopen sneller door twee effecten, de baansnelheid maar nog belangrijker door de afstand tot de aarde (massa).

https://phys.libretexts.o...microseconds%20per%20day.

[rvdv12773]

Inderdaad, dat vraag ik mij ook af, al zullen dergelijke klokken waarschijnlijk voornamelijk in de ruimte (satellieten) worden gebruikt, maar dan heeft de relatieve snelheid van de satelliet, die ook wordt beïnvloed door de gravitatievelden van de zon en de planeten ook invloed op de accuratesse van de klok (of liever gezegd de interpretatie ervan).

Nu wordt de accuratesse van zo'n klok wiskundig geëxtrapoleerd over een arbitraire tijdsduur (300 miljard jaar in dit geval), en het zou me niet verbazen indien ze deze factoren voor het gemak maar weg hebben gelaten en zijn uitgegaan van een perfect vacuüm zonder gravitatievelden.

[Reactie gewijzigd door rvdv12773 op 5 september 2024 09:10]

[BadRespawn]

Hebben relativistische factoren niet inmiddels een veel grotere invloed op de precisie van zulke klokken?

Relativistische factoren hebben niet zozeer effect op de klokken zelf, die zijn altijd even precies. Het heeft wel effect op de precisie van tijdsbepaling (want dat is relatief), en het is dankzij dit soort klokken dat we heel precies die relativistische factoren kunnen meten - en er dus rekening mee kunnen houden.

[rjmno1]

volgens einstein is tijd relatief.heb ik op school geleerd.

[Stoney3K]

Dat is geen bug maar een feature. Door 2 of meer van deze klokken met elkaar te vergelijken, kun je daardoor een nauwkeurige meting maken van de lokale invloed van zwaartekracht: Een gravitometer.

[Sorcerer8472]

Ja, dit is echt gaaf. Wellicht ook een manier om bepaalde gravitationele golven preciezer op te pikken als je maar genoeg van dit soort apparaten hebt?

Alleen geen idee of dit al precies genoeg daarvoor is of dat we nog preciezer moeten

[Stoney3K]

Ik vermoed dat het daar ook voor een deel voor is ontwikkeld.

[Rekcor]

Dergelijke klokken zijn zo precies dat ze slechts één seconde per 40 miljard jaar verliezen. (...) De wetenschappers stellen dat deze klok een afwijking van slechts één seconde in meer dan 300 miljard jaar heeft.

Hoe kun je dit meten? Dan heb je toch een klok nodig die nóg nauwkeuriger werkt?

[JoepG]

Dat doe je door het uitrekenen van de maximale meet on nauwkeurigheid. Op basis daarvan kun je bepalen wat de minimale nauwkeurigheid is.

[Epsilon]

En 300miljard wachten om die seconde te meten?

Ik verwacht dat ze een potentiële "onzekerheid" hebben berekend waar je dus niet weet wat de "tijd" echt is. De "tijd" is dan 300miljard jaar +/- 1 seconde om met die onzekerheid rekening te houden.

Als je een temperatuur meet van 54 graden, met een onnauwkeurigheid van +/- 1graad zorgt er voor dat je niet weet of het exact 54 graden is. Het is dus onzeker.

[3raser]

Dit is niet te meten lijkt me. Ze zetten er vast niet iemand 40 miljard jaar met een stopwatch naast om het te controleren . Er zal wel een knappe wiskundige formule op los worden gelaten die de theoretische afwijking bepaalt.

[PdeBie]

Dat moet een Casio stopwatch zijn!

[Stoney3K]

Laten we vooral even buiten beschouwing laten dat 40 miljard jaar langer is dan de verwachte levensduur van het universum.

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 5 september 2024 16:45]

[3raser]

Ik ben al iets ouder dan dat en ik kan stellig bevestigen dat het universum nog springlevend is.

[mcmd]

Volgens mij, ik ben geen specialist, definieer je een seconde in termen als: zoveel trillingen van een overgang zoals hierboven beschreven. Dat kun je blijkbaar goed tellen (hoe dan?!). Dan is de nauwkeurigheid daarna niet zo moeilijk te bepalen. Stel je stelt er zijn 3 overgangen nodig voor 1 seconde, dan zal de nauwkeurigheid rond de 1/3 seconde liggen.
Met de nieuwe methode zijn er blijkbaar veel meer overgangen van de status per seconde en kun je die blijkbaar ook tellen en is daarmee de nauwkeurigheid groter geworden.

[RJG-223]

Stel je stelt er zijn 3 overgangen nodig voor 1 seconde, dan zal de nauwkeurigheid rond de 1/3 seconde liggen

Zo zit het niet helemaal.

De nauwkeurigheid hangt o.a. af van hoeveel externe invloeden er zijn, en hoe goed daarvoor gecorrigeerd kan worden. Een puls elke 10 minuten ± 1µs is minder nauwkeurig dan een puls elke 10 minuten ± 1ps.

Een atoomklok heeft last van electromagnetische straling, temperatuur, etc. Dat kun je afschermen en zo, maar niet 100%. Een kernklok heeft minder of geen last van zulke externe invloeden. Dat kun je berekenen, en dan wéét hoe nauwkeuriger ie is

[heckie]

Gelukkig is me nu door het plaatje onderaan het artikel helemaal duidelijk hoe het werkt

[mariomario]

Heb je niet gezien dat het een animatie is? Bij elke atoomtrilling draait de blauwe trillingwijzer een rondje.

[MennoE]

Hahaha. Nu kan je er zelf ook eentje knutselen. Een DIY atoomklok.

[The Zep Man]

Ik hoor deze klok niet luiden en weet niet waar de klepel hangt. Nu schijnt dat normaal te zijn met dergelijke klokken.

Zulke bevindingen op het front van natuurkunde klinken briljant. Ik ben benieuwd of wij in de toekomst nog spreken van een atoomklok of dat wij het toch een nucleaire klok gaan noemen.

[3raser]

Deze klok haalt zijn informatie nog steeds uit een atoom dus de term atoomklok lijkt me geheel correct.

[CPV]

Maar nu uit de kern van het atoom, dus daarom is het een nucleaire klok, wat de andere niet is.

[Reactie gewijzigd door CPV op 5 september 2024 09:45]

[MtlSnk]

Noem het taaltechnisch gezever, maar als we atoomklok gebruiken, dan zouden we het een nucleus klok moeten noemen. Als je het andersom "gelijktrekt" zou het atomaire klok zijn.

Nucleair draagt ook de connotatie van kernsplitsing/vervaltijd, wat niets met de werking van deze klok te maken heeft.

Misschien moet het wel Thorium nucleus klok gaan heten? Tick Thonk
Het bekt niet zo lekker, maar het alternatief van nucleaire, kern- of thoriumklok vind ik ook wat kort door de bocht.

[wica]

Ik snap, dat dit invloed heeft op de nauwkeurigheid van metingen.
Maar het niet bevatten, hoe de invloed op diverse meting is. Of anders gezegd, hoeveel nauwkeuriger de metingen worden.

[Marctraider]

Hoe gaat dit sneller internet bewerkstelligen? Ik neem niet aan over een verbinding van US naar de EU. Daar zit al mogelijk milliseconden aan jitter en andere factoren, en heeft zover ik weet nul van doen met prediction of super accurate timings.

En mbt tijdsynchronizatie, heeft het bovenstaande ook geen factor? Je kan 10x je tijd synchronizeren en daar een gemiddelde van nemen, als je synchronizeert van een server ergens in de rimboe met zoveel fluctuatie, hoe gaat dit beetje extra accuracy de boel dan significant beinvloeden?

Betrouwbaarder internet? De meeste reliability problemen komen simpelweg van congestion, packet loss, re-routing door een hardware defect of software probleem in een data center, en zodra je het laatste gedeelte er bij optelt, de gebruiker: Ouderwetse tech zoals coax. Gaat deze klok de grond openmaken?

Ik neem dit artikel, en statement van NIST met een grote korrel zout.

[Reactie gewijzigd door Marctraider op 5 september 2024 08:51]

[PaulHelper]

Uiteindelijk zullen we denk ik over moeten op licht communicatie waar het nu alleen op grote afstanden gedaan wordt is een heel groot stuk van de infrastructuur gebaseerd op elektronen en het schakelen daarvan. Als je overgaat op het hele netwerk baseren op fotonen dan kan ik me indenken dat dit soort tijd nauwkeurigheid van pas kan komen.
Nou zijn we denk ik nog een heel eind weg van de toepassing daarvan al zijn er wel al prototypes hiervan die zijn nog niet rendabel, klein genoeg en hebben nog niet alle functies die onze mooie elektronen chips kunnen.
In de tussentijd denk ik dat het eerder op andere mogelijk fundamentele vlakken zal helpen

[Currry]

Het zou een mooie toevoeging aan het artikel zijn om uit te leggen hoe ze nu eigenlijk bepalen wat een seconde is. Want daar begint het. Maakt het stuk ook meer onderscheidend van een nu.nl.

[RJG-223]

Het zou een mooie toevoeging aan het artikel zijn om uit te leggen hoe ze nu eigenlijk bepalen wat een seconde is. Want daar begint het. Maakt het stuk ook meer onderscheidend van een nu.nl.

Ze zijn begonnen met de oude definitie van de seconde. Ik weet niet precies wat die was. Toen hebben ze gemeten hoeveel overgangen van het cesium-atoom er per seconde waren. Dat hebben ze extreem nauwkeurig gemeten. Dat getal kwam uit op 9192631770. Misschien kwam het zelfs uit op 'iets tussen 9192631670 en 9192631870' - en 9192631770 ligt daar precies tussen in. Hoe dan ook, 9192631770 is de nieuwe definitie geworden.

Als de metingen iets anders uitgepak waren, dan was dat getal misschien 9192631771 geweest. Misschien was de oude seconde zelfs 1000 keer minder nauwkeurig. Dan had de uitkomst ook 9192632031 geweest kunnen zijn. Of 9192631211. En dan was dat de definitie van de seconde geworden, en niemand had het verschil gemerkt. En het had ook niemand wat uitgemaakt.

[PsiTweaker]

Maar hoe bepalen ze met deze nieuwe methode hoeveel trillingen er nodig zijn voor 1 sec ?

Een seconde lijkt mij puur iets relatiefs ( correct me if I'm wrong ) ! Er is toch niet iets wat wij weten/kennen en dat zo stabiel is, dat dát gegarandeerd altijd 1 ( en dezelfde ! ) seconde bepaald ?

Of gaat men nu met de oude methode bepalen hoeveel trillingen er nodig zijn in de nieuwe methode ? Maar dan wordt toch de 'fout' ( mogelijke afwijking ) in de oude methode overgenomen naar de nieuwe ? Dan is de nieuwe 'resolutie' wel hoger, maar heeft dezelfde fout marge als de huidige methode.

[Reactie gewijzigd door PsiTweaker op 5 september 2024 11:15]

[xorpd]

Je kunt natuurlijk altijd de nauwkeurigheid verhogen door meerdere metingen te doen en te middelen.

[PsiTweaker]

Je kunt natuurlijk altijd de nauwkeurigheid verhogen door meerdere metingen te doen en te middelen.

Inderdaad, maar dat zullen ze nu ook al doen en zo blijft men een foutmarge houden, ondanks dat de 'resolutie' verhoogd is.

[Reactie gewijzigd door PsiTweaker op 5 september 2024 11:14]

[RJG-223]

Maar hoe bepalen ze met deze nieuwe methode hoeveel trillingen er nodig zijn voor 1 sec ?

Een seconde lijkt mij puur iets relatiefs ( correct me if I'm wrong ) ! Er is toch niet iets wat wij weten/kennen en dat zo stabiel is, dat dát gegarandeerd altijd 1 ( en dezelfde ! ) seconde bepaald ?

Of gaat men nu met de oude methode bepalen hoeveel trillingen er nodig zijn in de nieuwe methode ?

Ja (neem ik aan).

Maar dan wordt toch de 'fout' ( mogelijke afwijking ) in de oude methode overgenomen naar de nieuwe ? Dan is de nieuwe 'resolutie' wel hoger, maar heeft dezelfde fout marge als de huidige methode.

De resolutie is niet per sé hoger. Die kan zelfs lager zijn. De fout is dan wel kleiner.

De seconde is gedefiniëerd als een bepaald aantal overgangen van het cesium-atoom (9192631770 overgangen). Het precieze getal is volstrekt willekeurig. Het had ook 9192631771 kunnen zijn. Dat verschil merkt niemand, maar dt is nu eenmaal het getal dat gekozen is.

Als je 100 zulke klokken hebt, dan zul je merken dat ze na verloop van tijd van elkaar af gaan wijken. Bijvoorbeeld na één jaar is er een gemiddeld verschil van 125 tikken tussen die klokken.

Stel 10 overgangen van de oude klok komen overeen met 1 overgang van de nieuwe klok. Dan wordt de nieuwe definitie van de seconde dus 919263177 overgangen van de nieuwe klok. Dan is de resolutie dus lager, maar de nauwkeurigheid is wel hoger. Want als je 100 nieuwe klokken hebt, zal na een jaar de gemiddelde afwijking bijvoorbeeld 1.15 tik zijn. Dat komt overeen met 11.5 tikken van de oude klok, in plaats van 125 tikken... Dat is meer dan 10 keer nauwkeuriger (in dit voorbeeld)

[BadRespawn]

Een seconde lijkt mij puur iets relatiefs ( correct me if I'm wrong ) ! Er is toch niet iets wat wij weten/kennen en dat zo stabiel is, dat dát gegarandeerd altijd 1 ( en dezelfde ! ) seconde bepaald ?

Niet letterlijk "altijd", maar wel met een afwijking van slechts 1 seconde per 40 miljard jaar.

[dmantione]

Ik mis een beetje de vergelijking met een "gewone" atoomklok? Wat is het fundamentele verschil? Wat zijn de voordelen?

[CPV]

Staat er: atoomklokken werken door elektronen van de ene naar de andere energietoestand over te laten gaan. De nucleaire klok richt zich op de protonen en neutronen in de kern.