Kinderlezingen

Om antwoord te geven op die vraag heeft natuurkundige Marcel Vonk groots uitgepakt. Het hele podium staat vol met attributen. Er staan twee klokken, metronomen, een theepot, een paar stemvorken, glazen potjes met mysterieus blauw en wit poeder en vooraan de zaal heeft hij een metalen bal opgehangen aan een koord.

Later zal hij vertellen dat hij aan de Universiteit van Amsterdam onderzoek doet naar kwantummechanica en dat hij die kennis gebruikt om mee te werken aan het ontwikkelen van de allernauwkeurigste klok op aarde. Maar eerst stelt hij de kinderen de vraag: “Wie kan mij vertellen wat tijd is?”

“Tijd is hoe laat het is”, zegt een meisje. Een ander denkt dat tijd iets is wat in de loop van de jaren plaatsvindt. “Dus dat je van baby naar tiener gaat, dan volwassen wordt en doodgaat.” Vonk knikt bemoedigend, maar vertelt dan wat zijn natuurkundige definitie van tijd is: “Tijd is iets wat je meet met een klok”.

Nauwkeurige klok

Maar wat is een klok dan? Vonk vertelt dat een klok iets is wat zich steeds op dezelfde manier herhaalt. “Alles wat beweegt en een ritme heeft kun je als klok gebruiken. Je hartslag bijvoorbeeld, of de zon,  zand in een zandloper, of een slinger.” Vonk loopt naar de metalen bal aan het koord en laat die heen en weer bewegen. “Hij slingert heel regelmatig. Dus als je die slingerbewegingen telt, dan meet je ook de tijd.”

Maar hoe weet je nou hoe nauwkeurig een klok is? Vonk pakt twee metronomen die hij, zo goed als hij kan, gelijk probeert te laten lopen. Maar al gauw blijkt dat dit niet gelukt is. Je hoort dat de een sneller tikt dan de ander. Na 23 tellen loopt een metronoom een hele tel achter, telt hij.

Om te illustreren hoe groot dat probleem is, vraagt hij aan een meisje wanneer ze jarig is. “17 September”, antwoordt ze. Vliegensvlug rekent Vonk: “Dat duurt nog 220 dagen. Dus stel nou dat je die tragere metronoom laat tikken tot je weer jarig bent, dan vier je tien dagen te laat je verjaardag! Dat wil je niet toch?”

Dan is het tijd voor een proefje met de hele zaal om te testen hoe nauwkeurig ieders interne klok is. Vonk laat de kinderen hun ogen dichtdoen en wanneer ze denken dat er 20 seconden om zijn, moeten zij hun hand opsteken. Vonk houdt de tijd bij. Na 17 seconden gaan de eerste 3 vingers omhoog. Bij 30 seconden pas de laatste. “Nou het blijkt wel dat wij mensen geen goede klok zijn”, lacht Vonk. “Er waren vooral heel veel kinderen te laat!”

Golven

“In de wetenschap willen we heel nauwkeurige klokken maken. Klokken die na duizend jaar nog steeds goed lopen”, vertelt hij. “Daarom zijn natuurkundigen op zoek naar heel regelmatige patronen in de natuur.” Hij laat een filmpje van golven zien en vertelt daarbij dat golven een heel nauwkeurig ritme hebben. “Als je golven maakt in een bak water, duurt het even lang voor die heen en weer gaan.”

Vonk vertelt dat licht ook uit golven bestaat  en dat het de meest regelmatige golf is die we kennen. Hij legt uit dat licht met verschillende golven kan trillen. “Hoe vaak die trilling plaatsvindt bepaalt de kleur van het licht. Als iets langzaam trilt zie je rood. Als het snel trilt, zie je groen of blauw.”

De kinderen krijgen een speciaal brilletje waarmee ze naar de lampen boven het podium moeten kijken. “Wooooo, een regenboog!” roept iemand. Door de brilletjes heen verandert het witte lamplicht in prachtige kleuren. Vonk: “Licht lijkt wit, maar bevat allerlei kleuren. Als je een nauwkeurige klok wilt bouwen, kun je alleen één kleur licht gebruiken, alleen rood of alleen blauw bijvoorbeeld.”

Licht bestaand uit één kleur kun je maken met  atomen, dat zijn ontzettend kleine deeltjes. Vonk trekt een laboratoriumjas aan en zet een veiligheidsbril op. Een medewerker van NEMO zet een brander aan en Vonk schroeft de potjes met mysterieus blauw en wit poeder open. Hij strooit wat van het poeder boven het vuur. Het ene poeder kleurt de vlam geel, de ander groen en weer een ander rood. “Je ziet: atomen maken prachtige kleurtjes.”

Dit vakgebied heet in de natuurkunde de kwantummechanica, vertelt Vonk. En hij laat plaatjes zien van atomen, die bestaan uit een kern van protonen en neutronen en  een setje elektronen die eromheen cirkelen. “Elektronen cirkelen heel regelmatig in 60 golven om de kern heen”, vertelt hij. “Ze hebben een precieze hoeveelheid energie en kunnen daardoor een precieze kleur uitzenden. Atomen zijn daarom een nauwkeurige klok.”

Alleen is er een probleem: om die nauwkeurige tijdmetingen te doen moet alles in en om de atomen heel stil zijn. “Als er een temperatuur is gaan de atomen bewegen.” Hij zet een bekerglas water op een pitje en laat dat koken. “In dat water bewegen atomen ontzettend hard op en neer. In klokken willen we het omgekeerde doen. We willen ze stil maken. Hoe warm moet de omgeving dan zijn?”, vraagt Vonk aan zijn jonge publiek. Meerdere kinderen roepen: “-273,15 Graden Celsius”. Vonk is heel tevreden met dat antwoord. “Dat is ontzetten koud, kouder kan niet! En dan staat alles stil.”

Bij die temperatuur wil hij dus de beste klok van de wereld bouwen. Hij laat een plaatje zien van die klok, die gebouwd wordt aan de UvA. Je ziet een podium met stellingkasten  erop waarin allerlei apparatuur ligt. Van afstand ziet het er wat rommelig uit. Maar op een tweede foto zie je wat duidelijker waar de opstelling uit bestaat: uit lenzen en blauw licht. “Ergens komt atoomstraal uit een oven”, licht Vonk de foto’s toe. “Verderop wordt die straal verdampt en teruggeduwd door een laser. De temperatuur is dan -273 graden Celsius. Dan gaan de atomen licht uitzenden.”

Maar hoe precies is deze klok nou? “Als deze klok was aangezet, toen 14 miljard jaar geleden het heelal ontstond, dan zou die nog steeds geen seconde fout lopen. Zo nauwkeurig is hij!” zegt Vonk.

Als laatste vertelt hij waarom zo’n klok nuttig is: voor snelle computernetwerken en voor betere plaatsbepaling bij de routenavigatie. “Als je gamet tegen iemand in Amerika wil je dat alle bewegingen precies getimed worden. Dus als jij met je auto naar links rijdt, dan ziet die persoon aan de andere kant van de wereld dat op hetzelfde moment gebeuren”, legt Vonk uit.

“En wanneer je op je routenavigatie bekijkt waar je bent, kan dat nu op ongeveer 5 meter nauwkeurig. Maar met betere klokken kan dat preciezer.” Satellieten meten namelijk hoe lang het duurt eer een signaal van de routenavigatie de satelliet bereikt. Wanneer klokken nauwkeuriger zijn dan kun je beter je plaats bepalen.

Natuurlijk is het op dit moment nog onmogelijk die gigantische klok van de UvA in een satelliet te bouwen. “Hij moet nog fiks kleiner worden voordat dat kan.” Maar wie weet, in de toekomst....

Tenslotte komt Vonk terug op de vraag ‘Gaat de tijd altijd door?’.  “Ik weet het niet”, zegt hij. “Maar we kunnen wel heel precies de tijd meten, dat weet ik wel.”