Om "betyds" te wees in die wêreld van die wetenskap beteken iets anders as om "betyds" te wees in die alledaagse lewe. Trouens, daar is fisici wat horlosies geskep het wat so akkuraat is dat, indien daardie horlosies sou begin tik het met die oerknal, die tyd wat hulle vandag sou aandui, met slegs een sekonde sou afwyk.

Dr. Hermann Uys, 'n kwantumfisikus van die Wetenskaplike en Nywerheidnavorsingsraad (WNNR) en die Universiteit Stellenbosch, het ingestem om ons 'n kykie te gee in die vreemde en ongelooflike wêreld waar tyd deur middel van atome bepaal word.

Kom ons begin by die begin: Wat is tyd?

Sonder om té filosofies te raak, kan ons sê tyd verteenwoordig die volgorde waarin gebeure plaasvind. Om tyd te meet, het jy basies twee dinge nodig: iets wat "tik", dit wil sê iets is wat herhaaldelik 'n sein kan genereer, en jy benodig iets wat hierdie seine of slae kan tel. Dan kan jy sê: "hierdie gebeurtenis het tussen sein 8 en 9 plaasgevind", of " kom ons doen dit of dat tussen seine 12 en 13." Jou toestel verteenwoordig dan die volgorde waarin gebeurtenisse plaasvind in verhouding tot die aantal slae. En daar is dit, 'n toestel wat kan tyd hou!

Een so 'n ooglopende tydhouer is die aarde self, wat daagliks deur dag-nag siklusse beweeg. Jy kan 'n uiters eenvoudige tydhoutoestel skep deur een keer per dag wanneer die son op sy hoogste is, 'n merk op 'n stok te maak. Dan kan jy aparte merke op die stok maak om aan te dui wanneer sekere gebeurtenisse plaasgevind het in verhouding tot die tydmerke (tydmerke hier is vergelykbaar met slae van 'n horlosie). Ek kan my voorstel dat dit is hoe die eerste almanakke duisende jare gelede gelyk het.

Om met die blote oog die hoogte van die son in die lug te meet, is egter nie 'n baie presiese metode nie. Op enige gegewe dag kan jou geskatte meting met plus-minus 'n halfuur uit wees. Om baie akkurate tydhoutoestelle te maak, moet jy op twee vlakke verbeter. Eerstens moet die slae mekaar baie vinnig opvolg sodat jy gebeure wat baie vining op mekaar gevolg het, in tyd kan orden. Tweedens moet hierdie slae mekaar reëlmatig opvolg, m.a.w. met presies dieselfde tydsverloop tussen opeenvolgende slae.

'n Outydse staanhorlosie wat met 'n swaaiende pendulummeganisme werk, is al beter as om die son se posisie in die lug relatief tot die aarde as horlosie te gebruik, aangesien dit baie vinniger tik as slegs een maal per dag. Maar die slae is egter nie perfek gereeld nie. Dus, met verloop van dae of weke, sal die tyd wat die staanhorlosie aandui, verskil van die tyd wanneer die son op 'n gegewe dag op sy hoogste is in die lug.

Soos tegnologie oor die jare verbeter het, is ons in staat gestel om beter tydhoutoestelle te bou. Die mees suksesvolle hiervan is die atomiese horlosies.

Hoe meet ons tyd deur middel van atome?

Om tyd akkuraat te kan meet, benodig jy 'n tydhoutoestel wat vining en boonop gereeld tik. Dit blyk dat die regte tipe atome aan beide hierdie vereistes voldoen. Cesium-133 atome word wêreldwyd gebruik om Atomiese Tyd te definieer. Wanneer elektrone by die grondenergievlakke van daardie atome 9,192,631,770 keer op 'n bestendige en ritmiese wyse heen en weer beweeg het, het daar 'n sekonde  verloop. Dit is die internasionaal aanvaarde definisie van die sekonde. Cesium-atome is baie vinnige tikkers, en boonop glo fisici dat elke cesium-atoom in die heelal op presies dieselfde manier tik, of dan eintlik ossilleer teen dieselfde frekwensie. Dus is Cesium-atome ook baie reëlmatige tikkers.

Wat is atomiese tyd?

Internasionale Atomiese Tyd (TAI – vir die Franse Temps Atomique International) is die tyd gebaseer op ongeveer 400 van hierdie atomiese horlosies wat in verskillende laboratoriums wêreldwyd versprei is. Suid-Afrika beskik ook oor atomiese horlosies wat ons nasionale tyd aandui. Dit word gehuisves deur die Suid-Afrikaanse Nasionale Instituut vir Metrologie (NMISA) in Pretoria. Bel 1026 op jou foon en jy sal 'n stem hoor wat elke 10 sekondes die tyd aandui wat deur hierdie horlosies verskaf word.

Sedert die vroegste tye is tyd gemeet aan die hand van natuurritmes. 'n Omwenteling van die aarde om sy eie as is byvoorbeeld 'n dag, en hierdie tyd wat deur die aarde se rotasie bepaal word, word astronomiese tyd of Universele Tyd 1 (UT1) genoem. Aangesien die aarde se rotasie (as gevolg van verskeie fisiese invloede daarop) nie so gereeld is as Atomiese Tyd nie, is daar egter 'n klein probleempie wanneer jy Atomiese Tyd wil gebruik in jou daaglikse lewe. Indien ons slegs Atomiese Tyd sou gebruik, sou middernag nie altyd presies om 24:00 gewees het nie. In plaas daarvan gebruik ons Gekoördineerde Universele Tyd (UTC) om ons daaglikse lewe te bestuur. UTC vergelyk die tyd wat bepaal word deur die aarde se rotasie, met Atomiese Tyd. Wanneer daar 'n verskil van 0,9 sekondes tussen bogenoemde twee tydskale is, word 'n skrikkelsekonde by die UT1 bygetel sodat die aarde se rotasie goed gesinchronisser is met ons tydskaalstandaard.

Hoe akkuraat is hierdie horlosies?

Een manier om die horlosies se akkuraatheid te toets, is om twee horlosies te bou wat presies dieselfde is en dan te kyk hoe lank dit neem voordat die tyd wat deur hierdie twee horlosies vertoon word, met een sekonde verskil. Dit blyk dat die beste cesium-atomiese horlosies ongeveer 300 miljoen jaar sal neem om by daardie punt uit te kom!

Toekomstige uitvindings ‒ is daar pogings om atomiese horlosies selfs MEER akkuraat te maak? Hoekom sou dit belangrik wees om dit te doen?

Baie laboratoriums wêreldwyd werk hard daaraan om selfs beter atomiese horlosies te bou. Daar is 'n goedige kompetisie tussen hierdie laboratoriums om die leier op hierdie gebied te wees. Twee tegnologieë in die besonder is gewoonlik kop-aan-kop aan die voorpunt van hierdie wedloop, naamlik vasgevangde ione- en optiese traliehorlosies. Hierdie horlosies is so akkuraaat dat hulle nie eens een sekonde sal wen óf verloor oor 'n periode van biljoene jare nie, sou jy dit vir so lank kan laat loop nie.

In ons laboratorium by die Universiteit Stellenbosch is ons nou besig om 'n ytterbium-ioonvanger te bou wat ons uiteindelik kan gebruik in ons strewe om verbeterde atomiese horlosies te bou. Ons doen ook baie navorsing op die gebied van teoretiese fisika om beter begrip te kry van wat die klein onakkurathede in atomiese horlosies veroorsaak, en hoe om hierdie probleme te oorkom.

Baie tegnologieë maak staat op presiese tydhouding, soos byvoorbeeld die internet en die telekommunikasie-industrie. Elke GPS-satelliet het selfs meer as een atomiese horlosie aan boord!  Alle moderne navigasiesisteme steun op presiese tydhouding. Vandag is die beste laboratoriumhorlosies so akkuraat dat 'n  mens kan waarneem hoe sulke horlosies effens vinniger sal tik indien jy hulle slegs 'n paar sentimeter van die grond af sou oplig. Dit gebeur as gevolg van die gravitasievelde wat effens swakker word soos wat jy verder van die aardoppervlak af beweeg. Hierdie effek kan slegs verstaan word deur Einstein se algemene relatiwiteitsteorie toe te pas.

Indien bogenoemde horlosies bokant 'n area geposisioneer is met baie digte klip- of mineraalafsettings direk daaronder, sal hulle in elk geval ook merkbaar stadiger tik as wanneer dit bo-oor 'n aera bestaande uit poreuse klip gehou word. Jy kan jou dus indink hoe gerieflik dit kan wees om geo-ontginning van minerale te doen met behulp van akkurate horlosies. Akkurate atomiese horlosies sorg nie slegs vir interessante laboratoriumeksperimente nie, maar is uiters nuttig.

Op die foto, Fisici by die Universiteit Stellenbosch is besig om 'n ytterbium-ioonvanger op te rig wat hulle uiteindelik kan gebruik in hul strewe na verbeterde atomiese horlosies. Die proses sluit ook navorsing op die gebied van teoretiese fisika in sodat hulle beter sal verstaan wat die klein onakkuraathede in atomiese horlosies veroorsaak en hoe om hierdie probleme te oorkom. Hier is 'n foto van die hart van die eksperiment, die ioonvanger waar enkel geïoniseerde atome vasgevang word. Foto: Stefan Els

Die oorspronklike artikel is gepubliseer in die populêre tydskrif Quest as deel van 'n reeks artikels oor "tyd".