Nederland in ideeën 2015 – Tobias Tiecke

 
Welkom! Dit bericht is onderdeel van de online tentoonstelling Nederland in ideeën, waarin 93 wetenschappers, ondernemers en kunstenaars antwoord geven op één vraag van Paulien Cornelisse:                                     

‘Welk inzicht uit je vakgebied kan anderen helpen in het dagelijks leven?’

De tentoonstelling is verspreid over 93 websites. Op deze site vind je het antwoord van Tobias Tiecke. Je kunt onderaan dit bericht doorklikken naar het volgende antwoord, of een bezoekje brengen aan de ‘centrale hal’ [link naar nederlandinideeen.nl] van de tentoonstelling.

 

Exacte maten volgen uit exacte wetenschap

De wereld die wij om ons heen zien, is verre van voorspelbaar. Hierdoor is onze beleving van alledaagse zaken vaak maar relatief. Zo kan het lekker warm weer zijn, kan je je moe voelen en kan je een kunstwerk mooi vinden. Maar ook gebruiken we vaak juist exacte begrippen. Zo ben ik 1,86 meter lang, rent Usain Bolt 100 meter in 9,58 seconde en bij Albert Heijn kopen we 1 kilo appels. Deze laatste uitspraken zullen maar weinig vragen oproepen, maar wat ís 1 kilo eigenlijk? En hoezo is mijn kilo vandaag dezelfde als de jouwe morgen?

In tegenstelling tot ons dagelijks leven is de natuur op een fundamenteel niveau exact en wél te voorspellen. Hierdoor kunnen we fundamenteel natuurkundige verschijnselen gebruiken om dagelijkse begrippen als 1 kilo, 1 meter en 1 seconde te definiëren. Ondanks dat deze begrippen erg vanzelfsprekend zijn, blijken de achterliggende definities wat minder voor de hand liggend.

Honderd jaar geleden was 1 meter gedefinieerd als de lengte van een platina staaf die in een kluis in Frankrijk lag, 1 kilo als een platina blok dat daar ook lag en 1 seconde als 1/86400ste van een dag. Geen ingewikkelde definities, maar ze waren niet ideaal: de lengte van een dag varieert en als er bijvoorbeeld een brokje van dé kilo af zou breken, dan zouden wereldwijd alle kilo’s relatief iets zwaarder zijn geworden. Een nieuw inzicht kwam in het begin van de twintigste eeuw toen de kwantummechanica ontdekt werd. De natuurwetten die hieruit volgen bieden de mogelijkheid om universele definities te formuleren. We weten bijvoorbeeld dat een kwantummechanisch deeltje, zoals een atoom, zich in twee verschillende toestanden tegelijk kan bevinden, een zogenaamde ‘superpositie’. Gebruikmakend van deze superposities kan het atoom tussen de twee toestanden heen en weer tikken met een heel precieze frequentie die altijd exact dezelfde is. Dankzij de mogelijkheid om deze tikken heel precies te tellen is sinds 1960 een seconde gedefinieerd als 9.192.631.770 tikken van een cesiumatoom. Omdat elk cesiumatoom identiek is, tikken alle atoomklokken ter wereld met exact dezelfde frequentie.

Onze tijd is dus gedefinieerd op basis van een atoom, een behoorlijk geavanceerd idee, maar helaas is de kilo nog steeds wat ouderwets gedefinieerd. Anno 2014 gebruiken we nog steeds dé platina kilo in Frankrijk, en problematischer: deze kilo verandert van gewicht. Wat er precies aan de hand is, is niet duidelijk. Het gewicht van dé kilo is tenslotte… 1 kilo. Maar er zijn duplicaten, en duidelijk is dat deze van gewicht veranderen ten opzichte van elkaar. Er is momenteel nog geen alternatief om massa uit een natuurconstante af te leiden, maar in de afgelopen jaren zijn er wel verschillende ideeën geopperd, en waarschijnlijk wordt er in 2014 een beslissing genomen. Een goede kanshebber is het zogenaamde Avogadro-project. Hierbij wordt een perfecte bol van silicium gemaakt waarvan het aantal atomen heel precies gemeten kan worden. Het idee is om 1 kilo te definiëren als 602.214.000.000.000.000.000.000 silicium-28-atomen. Met zo’n definitie kunnen wereldwijd nieuwe kilo’s gemaakt worden als referentiegewichten omdat alle silicium-28-atomen identiek zijn en we ze heel precies kunnen tellen.

Dat onze vanzelfsprekende alledaagse begrippen van tijd en gewicht hun oorsprong kunnen vinden bij iets fundamenteels als individuele atomen, blijf ik fascinerend vinden. Maar wat heb ik aan zulke precieze definities? denk je misschien. Zonder dat je het weet maak je er vast gebruik van. De precieze definitie van tijd is bijvoorbeeld essentieel voor gps. gps is een technologie gebaseerd op atoomklokken die in satellieten op tienduizenden kilometers van elkaar door de ruimte suizen en daarbij radiopulsen uitzenden op een exact gedefinieerde tijd. Deze pulsen reizen vanuit de ruimte naar je smartphone in 30 milliseconden (dat is sneller dan dat je met je ogen knippert). Daar worden ze met nanoseconde-precisie ontvangen en zo weet je weer op een paar meter nauwkeurig waar je op aarde bent.

Door gebruik te maken van het feit dat de natuur op fundamenteel niveau exact is, kunnen we dus dagelijkse concepten als tijd en gewicht exact definiëren. En zo kunnen atomen ver weg in de ruimte of in een siliciumbol ons een klein beetje exactheid geven in ons dagelijks leven.

 

Tobias Tiecke

Kwantumfysicus; gepromoveerd aan de Universiteit van Amsterdam; postdoc op Harvard University; fysicus bij Facebook Connectivity Lab.

 

Alle antwoorden zijn ook beschikbaar in boekvorm onder de titel Dit wil je weten: Wetenschappers ondernemers en kunstenaars geven adviezen voor het dagelijks leven

 

Klik hier voor het volgende antwoord.

 

Klik hier voor een bezoekje aan de centrale hal van de expositie.

Dit stuk heeft geen reacties

Schrijf een reactie

Reageer als eerste!