Van waterklok tot pulsar: de geschiedenis van tijdmeting

Van de waterklok en de zonnewijzer tot de atoomklok en pulsars; de mens is al eeuwen bezig met het meten van de tijd. Hoe ontwikkelde de tijdmeting zich door de tijd heen?

De waterklok: de oudste tijdmeter

Het oudste en simpelste gereedschap om de tijd mee te meten is de waterklok, die waarschijnlijk al in de zestiende eeuw v.Chr. door de oude Egyptenaren en de Babyloniërs werd uitgevonden. Met behulp van stromend water, waarmee de hoogte van de waterspiegel veranderde, kon op een schaal het verloop van de tijd worden gemeten. De waterklok kon ook ’s nachts en bij bewolkt weer gebruikt worden, maar was lange tijd niet heel nauwkeurig. Waterklokken werden dan ook vooral gebruikt voor korte tijdmetingen.

Zonnewijzers: het tijdstip van de dag aan de hand van de zon

De oude Egyptenaren en de Babyloniërs vonden beiden ook zonnewijzers uit om de tijd mee te meten. De oudste zonnewijzers waren obelisken en schaduwklokken. Met behulp van de schaduw van de zon, die constant aan de hemel verschuift, kon het tijdstip van de dag vastgesteld worden.

De oude Grieken, die het ontwerp voor de zonnewijzer overnamen uit Egypte en Mesopotamië, creëerden in de tweede eeuw v.Chr. een universele zonnewijzer die overal op aarde te gebruiken was.

De nauwkeurigheid van de zonnewijzer werd in de Middeleeuwen nog verbeterd door een Islamitische geleerde. Abu’l-Hasan Ibn al-Shatir ontdekte in 1371 dat een verticale zuil schaduwen produceert met gelijke uren voor elke dag van het jaar. Romeinse en oudere zonnewijzers hadden geen constante uren in de verschillende seizoenen.

De mechanische klok: steeds nauwkeuriger

In de veertiende eeuw werd de mechanische klok uitgevonden. Met behulp van tandwielen, gewichten en een in de dertiende eeuw uitgevonden echappement, kon men de wijzers van een klok laten draaien en zo het verstrijken van de tijd laten aangeven.

De eerste mechanische klok werd ontwikkeld in een benedictijnenklooster, was ruim 3m3 groot, en aan de bouw ervan werd ruim tien jaar gewerkt. Men kon er niet alleen de tijd maar ook de stand van de hemellichamen op aflezen. Hoewel de tijdmeting in kloosters en kathedralen een religieuze achtergrond had, wilden de wereldlijke besturen van de steden in de veertiende eeuw ook een uurwerk, dat als prestigeobject werd gezien. Als gevolg hiervan hadden de meeste steden rond 1400 een eigen klok.

Door de jaren heen werden er meerdere verbeteringen aangebracht aan de mechanische klok, waardoor deze steeds nauwkeuriger en duurzamer werd. In 1657 verkreeg de vooraanstaande Nederlandse uitvinder, Christiaan Huygens, het patent op een nieuwe uitvinding van zijn hand: het slingeruurwerk. Door ervoor te zorgen dat de wijzers door een heen en weer bewegende slinger werden gereguleerd, bleef de klok gelijkmatig lopen.

Het horloge: een draagbaar uurwerk

De volgende stap was het verkleinen van de klok. Al in de 15e eeuw ontstond de behoefte aan een nauwkeurig uurwerk om op zee te kunnen navigeren. Klokken waren meestal te groot en te zwaar om aan boord te nemen. Daarbij was het (slinger)uurwerk te gevoelig voor de schommelingen van het schip.

De uitvinding van het veermechanisme door de Duitse Peter Henlein uit Neurenberg was cruciaal voor de oplossing van dit probleem, en tegelijk ook voor de ontwikkeling van het horloge. Zijn draagbare uurwerken, die door hun ovale vorm ook wel Neurenbergse eieren werden genoemd, waren echter nog niet heel nauwkeurig en hadden alleen een uurwijzer.

In een poging om de horloges gelijk te laten lopen, vond de Zwitserse Jacob Zech in 1525 de snek uit, een mechanisme dat ervoor zorgde dat de krachten die op het uurwerk werden uitgeoefend, gelijk bleven.

In 1675 ontwikkelden Robert Hooke en Christiaan Huygens onafhankelijk van elkaar een systeem waarbij de veer van het uurwerk een balanswiel heen en weer liet draaien – eenzelfde soort beweging als een slinger maakt. Hierdoor werd de nauwkeurigheid van het horloge aanzienlijk vergroot.

Horloges bestonden lange tijd in de vorm van zakhorloges, maar door de uitvinding van het polshorloge door Patek Philippe, eind 19e eeuw, veranderde dit. In 1957 kwam de laatste grote ontwikkeling, toen voor de aandrijving van het horloge een batterij werd gebruikt in plaats van een veer.

De atoomklok: extreem nauwkeurig

In 1955 werd de extreem nauwkeurige atoomklok geïntroduceerd. Door als basis voor de tijdmeting gebruik te maken van de trillingen van atomen, die constant en onafhankelijk van de omgeving zijn, wijkt de atoomklok slechts één seconde per vijf miljard jaar af. De meeste atoomklokken zijn gebaseerd op het scheikundig element cesium, waarop tegenwoordig ook de definitie van de seconde is gebaseerd.

De ontwikkeling van de atoomklok luidde het einde in van het gebruik van de astronomische tijd als internationale tijdschaal. De atoomklok is namelijk nauwkeuriger dan de rotatie van de aarde, die door de seizoensvariatie kan afwijken.

Pulsars: een middel om op andere planeten de tijd te meten

De astronomische tijd is echter nog niet definitief uit beeld. In augustus 1967 werd de eerst bekende pulsar (PSR B1919+21) ontdekt door de Britse studente Jocelyn Bell en haar mentor, Antony Hewish. Deze snel ronddraaiende neutronensterren zenden met grote regelmaat elektromagnetische straling uit, die op aarde wordt waargenomen in de vorm van snelle “pulsen”.

De regelmaat van de pulsen is in sommige gevallen nog nauwkeuriger dan die van een atoomklok. In het geval van de door Jocelyn Bell ontdekte ster is sprake van een pulstijd van 1,337 seconden. De pulsar met de kortst bekende pulstijd zendt ongeveer elke 0,0014 seconden een puls uit. Volgens sommigen moeten pulsars gebruikt worden voor het nauwkeurig meten van de tijd als we ooit toekomen aan het koloniseren van andere, verre planeten.