|
|
|
|
» Home «
Versie 3 van FastCommand is voltooid! Nog handiger in gebruik en vele nieuwe functies! Klik op het logo om naar de website van FastCommand te gaan.
_____________________________________________________________________________________
9.192.631.770 trillingen in een atoom
De zon komt op en gaat weer onder en weer is er een dag voorbij. Een meer voor de hand liggende eenheid van tijd dan de dag is er niet. Het opkomen van de zon is natuurlijk beeldspraak, want de aarde draait om de zon en niet andersom.
Maar er zijn meer natuurlijke cycli die andere logische tijdseenheden aangeven. Zo vallen elk jaar de bladeren van de bomen en groeien ze later weer aan. En steeds, in evenveel dagen, gaat de maan van nieuwe maan naar vol en verdwijnt hij weer.
In het verband tussen al die ritmes beginnen meteen ook de complicaties. Omdat er geen geheel aantal dagen in een jaar past, passen we het systeem van schrikkeljaren toe: elk vierde jaar duurt 366 dagen. En omdat dat ook weer net te veel is, slaan we elke honderd jaar één schrikkeljaar over, behalve als het eeuwjaar deelbaar is door 400. Zo was 2000 een schrikkeljaar, maar zijn 2100, 2200 en 2300 dat niet en is 2400 dat weer wel.
Dan is er vanzelfsprekend nog de maand, de tijd die de maan erop nahoudt om van nieuwe maan tot nieuwe maan te komen. En de week, die zeven dagen telt en gebaseerd is op meer maatschappelijke en religieuze gebruiken – denk aan markten of festivals.
Sinds 1582 is in veel landen het weefsel van tijdspannes, met weken, maanden, jaren en schrikkeljaren in de zogeheten Gregoriaanse kalender samengebracht. Elders duurde dat langer. Rusland bijvoorbeeld, gebruikte tot 1922 de oudere, Juliaanse variant.
Een dag delen we weer op in 24 uren, een uur in 60 minuten, een minuut in 60 seconden. Een erg praktische indeling voor de tijd is dat niet hoewel het getal 60 natuurlijk wel een heleboel delers heeft waardoor we een uur of minuut makkelijk uit ons hoofd kunnen opdelen in stukjes van 2x30, 3x20, 4x15, 5x12 en 6x10. Toch, voor bijvoorbeeld voor hedendaagse computerprogrammeurs, zou het handiger zijn geweest om een dag op te delen in tien uren, een uur weer in honderd minuten en een minuut op zijn beurt in honderd seconden. Na de Franse Revolutie is dat zelfs voorgesteld, maar de weerstanden waren zo groot dat het nergens is doorgevoerd.
Tot de tweede helft van de 19de eeuw had elke stad en elk dorp zijn eigen tijd, aangegeven door het ritme van de dag of – later – de kerkklok. Met de komst van de spoorwegen en de telegraaf werd dat onpraktisch en werden de tijdzones ingevoerd.
Om zones en tijdverschillen te kunnen vaststellen, is het om te beginnen nodig de tijd goed te meten. De eerste echt nauwkeurige klok ter wereld was een Nederlandse vinding. Halverwege de 17de zeventiende eeuw patenteerde Christiaan Huygens (1629-1695) het eerste slingeruurwerk. Het apparaat veroverde Europa en maakte de weg vrij voor de echte standaardtijd. De klok tikte de uren zo weg dat een etmaal 24 uur duurde. Daaruit volgde vanzelf de duur van minuten en – veel later – ook seconden.
In de klok van Huygens gaf een gewicht aan een slinger het apparaat een vast ritme, dat het uurwerk tik voor tik vooruit zette. Een gewone slinger met een vaste lengte geeft daarbij een kleine afwijking. Huygens corrigeerde, op papier, hij bouwde niks zelf, die afwijking met een slimme ophanging. Zo haalde hij een precisie van 10 seconden per dag.
IS ER NOG IETS MEER OVER DE PRECISIE TE ZEGGEN?
Tegenwoordig is tijd nog veel nauwkeuriger te meten met behulp van de atoomklok, waarmee de seconde is gedefinieerd als 9.192.631.770 trillingen in een atoom cesium-133. De precisie van een atoomklok is daarmee duizelingwekkend. Het duurt ongeveer drie miljoen jaar voordat hij er een seconde naast zit. Dat is zo precies, dat het mogelijk is geworden schrikkelsecondes in te voeren, om in de pas te blijven met de alledaagse tijd.
Universele natuurverschijnselen als de trilling in het atoom cesium-133 definiëren inmiddels zes van de zeven eenheden in het SI-stelsel. Ze zijn daarmee in principe in elk lab exact te reproduceren, zoals het hoort bij eenheden.
De enige uitzondering vormt de kilogram. Die is gedefinieerd als de massa van één speciale platina-iridium cilinder uit 1879, die in een kluis in Parijs wordt bewaard. Elders in de wereld moet men het met kopieën doen, maar het recept voor een kilogram bestaat niet.
De meest nauwkeurige klokken die ooit zijn geproduceerd bij NIST hebben een onnauwkeurigheid van 10-17. Deze klokken zijn zo nauwkeurig dat ze nauwelijks meer met elkaar te vergelijken zijn. Dit is het gevolg van verschillende aspecten van de relativiteitstheorie. Wanneer twee van deze klokken zo zijn opgesteld dat de een 5 centimeter hoger staat dan de ander, is het verschil in het gravitatieveld van de aarde voldoende om ze (terecht!) ongelijk te laten lopen. Een soortgelijk probleem treedt op bij verplaatsen: verplaatsing met loopsnelheid (5 kilometer per uur) levert voldoende vertraging van de tijd op om dit met deze klokken te kunnen waarnemen.
De seconde is een centrale component van het in het in 1960 afgesproken moderne eenhedensysteem, het Système International of SI. Daarin worden zeven eenheden gedefinieerd: meter, kilogram, seconde, ampère (voor elektrische stroom), kelvin (voor temperatuur), mol (voor aantal deeltjes) en candela (voor lichtsterkte). Dat zouden er nog minder kunnen zijn, door samenhang tussen eenheden die door de natuurwetten worden beschreven. Maar in de praktijk zouden sommige eenheden dan erg moeilijk reproduceerbaar zijn.
De duizelingwekkende precisie die inmiddels is behaald bij het vaststellen van onze eenheden, de seconde voorop, roept misschien de vraag op of die niet wat overdreven is. Dat is echter niet zo. In een hightechwereld vol satellietnavigatie en wereldwijd dataverkeer zijn exacte afspraken nodig. Zeker over de juiste tijd.
Bronnen: Betacanon, deel 46, Wikipedia.
____________________________________________________________________________________
Magnetische data schrijven met licht
Natuurkundigen uit Nederland en Japan hebben laten zien dat je een magneet kunt ompolen met een ultrakorte laserflits. Dit gaat zo'n honderdduizend keer sneller dan met conventionele magnetische technieken haalbaar is. Het team publiceert over zijn gepatenteerde vondst in het tijdschrift Physical Review Letters.
Als je een magneet wilt ompolen - dat wil zeggen noord en zuid verwisselen - dan doe je dat normaalgesproken door er een sterkere magneet dichtbij te brengen. Op dezelfde manier gebeurt dat op de harde schijf van een computer waar de bits (enen en nullen) worden weggeschreven in kleine magnetische domeinen. Tegenwoordig kan dat binnen een paar nanoseconden (1 nanoseconde is een miljardste deel van een seconde). Dat lijkt misschien snel – en is ook verbluffend snel in vergelijking met computers van een halve eeuw geleden – maar met de huidige technologie zijn verdere verbeteringen onmogelijk.
Ook vanuit fundamenteel oogpunt leek dit de limiet te zijn. De onderzoekers in Nijmegen hebben echter een geheel andere methode gevonden die deze snelheidslimiet met gemak achter zich laat. Zij wisten met een zogeheten circulair gepolariseerde lichtflits die slechts 40 femtoseconde duurt, ompoling te bewerkstelligen. Dit is zo’n honderdduizend maal sneller dan de huidige limiet van magnetisch ompolen (een femtoseconde is een miljoenste deel van een miljardste seconde). Nog recent is in de wetenschappelijke literatuur beweerd dat dit een onmogelijk idee zou zijn, maar zeg nooit nooit, constateert een van de onderzoekers, Alexey Kimel.
In een harde schijf zitten rond de twee biljoen magneetjes. Om informatie over te dragen, moeten die magneten zeer snel omschakelen. Die schakeling wordt veroorzaakt door een elektromagneet. Staat de stroom aan, dan wordt een magneetveld opgewekt en schakelt de magneet 180 graden om. Hoe sneller de stroom aan- en uitgeschakeld wordt, hoe sneller de computer wordt. Er zit echter een beperking aan de schakelsnelheid van stroom: op zijn snelst is die een paar nanoseconden per schakeling.
Wetenschappers over de hele wereld vielen over de Nijmeegse onderzoekers heen toen deze opperden dat je voor het ompolen ook een laser zou kunnen gebruiken. 'Magneten beïnvloeden met licht kán niet!', schreef de een. 'Laserlicht heeft niet voldoende energie', liet een ander weten. Vorig jaar nog kwam er een boek uit over magnetisme, waarin het idee als volslagen onmogelijk werd afgedaan. Op zich ook niet zo vreemd: de huidige, op de thermodynamica gebaseerde theorieën, hebben ook geen verklaring voor deze opzienbarende resultaten.
Wat ze doen kan volgens de theorie niet, maar de Nijmeegse onderzoekers laten zich daar niet door weerhouden. Het team is al bezig om de volgende barrière te slechten: hoe dit ultrasnelle schakelen toe te passen op nanomagneetjes, ofwel magneetjes die 10 tot 100 maal kleiner zijn dan de golflengte van het gebruikte licht. De gebiedjes (domeinen) die door de huidige laserpulsen worden bestreken, zijn ongeveer 5 micrometer in doorsnede (een micrometer is een duizendste millimeter) en dat is veel grover dan in bestaande systemen. Met die nanomagneetjes kan dit bezwaar worden ondervangen. De onderzoekers werken daarvoor samen met een groep in Zwitserland.
Bron: Physical Review Letters.
____________________________________________________________________________________
Ultrasnelle optische schakelaar
Licht verschiet van kleur als het in een lichtgeleider wordt achtervolgd door een lichtpuls met een veel grotere intensiteit. Dat is handig in optische schakelaars van silicium, waar groen licht rechtdoor gaat en rood licht een andere weg volgt. Door kleurwisseling zijn schakelaars te maken waar geen externe elektronica aan te pas komt, met snelheden tot honderden gigabits per seconde. Promovendus Ronald Dekker van de Universiteit Twente presenteerde deze resultaten onlangs in Optics Express.
Dekker maakt gebruik van het verschijnsel dat de brekingsindex van zijn lichtgeleidende materiaal verandert bij een puls met grote intensiteit. De index is bepalend voor de manier waarop licht voortbeweegt in het materiaal. In een lichtkanaal op een chip zou een pulsje groen licht bijvoorbeeld normaal gesproken gewoon rechtdoor gaan. Maar stuurt Dekker er een blauwe puls met veel hogere lichtintensiteit achteraan, dan krijgt het materiaal een ‘oplawaai’ die maakt dat het licht rood kleurt. De timing luistert nauwkeurig - de kleine en de grote puls moeten lichte overlap hebben - anders werkt het proces niet. Een kwestie van femtoseconden, een miljoenste van een miljardste seconde.
Lichtringetjes
Dekker's lichtkleuring is toe te passen in zogenaamde optische microring resonatoren: lichtringetjes die als schakelaar kunnen dienen in ultrasnelle optische circuits. Ze bestaan uit een chip met daarop twee rechte lichtgeleiders en ertussen een ringetje met een diameter die kleiner is dan de dikte van een mensenhaar. Groen licht gaat in de kanalen rechtdoor, met rood licht gebeurt iets anders. De afmetingen van het ringetje maken dat rood licht daarin wordt ‘gevangen’ en door het tegenoverliggende kanaal wordt opgepikt. Op die manier zijn enen en nullen te schakelen met licht, men zou dus van een optische transistor kunnen spreken. De chip wordt dan bijvoorbeeld aangesloten op glasvezels in een internetknooppunt of telefooncentrale. Snelheden van honderd gigabits per seconde zijn haalbaar, en dat is ook nodig voor de toekomstige intensiteit van het dataverkeer. Het ‘van kleur verschieten’ van het licht gebeurt in slechts een paar picoseconden, precies genoeg om van het uiteinde van het kanaal naar het ringetje te komen.
Tot nu toe worden de materiaaleigenschappen van een microring bijvoorbeeld beïnvloed door een miniatuur verwarmingselementje boven het ringetje te plaatsen. Het nadeel daarvan is dat toch weer externe elektronica nodig is, bovendien werkt het opwarmen en afkoelen vertraging in de hand. Door het materiaal met licht zelf te beïnvloeden, kunnen snelheden worden bereikt die voor elektronische schakelingen nog ondenkbaar zijn.
Het onderzoek van Dekker, onder leiding van prof.dr. Alfred Driessen, is gedaan in de groep Integrated Optical Micro Systems (IOMS) van het Twentse MESA+ Institute for Nanotechnology, in nauwe samenwerking met onderzoekers van de Rheinisch Westfälische Technische Hochschule (RWTH) in Aken.
Een spin-off onderneming voortgekomen uit de IOMS groep, Xio Photonics genaamd, werkt aan de ontwikkeling van marktrijpe chips o.a. gebaseerd op ringresonatoren.
bron: Universiteit Twente
____________________________________________________________________________________
Zuurstof maakt atomaire draden langer
Natuurkundigen van de Universiteit Leiden en de Stichting FOM hebben ontdekt dat zuurstof gouddraden van één atoom dik langer en stabieler maakt. Daarmee komen atomaire draden als verbindingen in elektronica op atoomniveau weer een stap dichterbij.
Kleiner is sneller in de elektronica: hoe minder afstand er tussen chiponderdelen zit, hoe minder tijd ze nodig hebben om gegevens uit te wisselen. Aan de verkleiningsrace zit een absolute ondergrens: de dikte van één enkel atoom, een miljardste meter. Natuurkundigen maakten al eerder gouddraden van zeven atomen op een rij; nu hebben FOM-onderzoeker Robert Thijssen en de Leidse onderzoekers Daniel Marjenburgh, Rolf Bremmer en Jan van Ruitenbeek ontdekt dat zuurstof atomaire draden van goud verstevigt. Bij een temperatuur van -230 oC worden de draden dan tot 10 atomen lang en blijven ze goed geleiden.
Een succesvolle techniek om éénatoomige draden te maken is met een mechanisch controleerbare breekjunctie. Een dunne metaaldraad wordt op een buigbaar plaatje gelijmd, dat vervolgens wordt gebogen. Daarbij trekt het de draad met enorme precisie uit elkaar. Uiteindelijk blijft een fijner dan ragfijne contactdraad over van slechts één atoom breed: een miljardste meter dik. bron: Kamerlingh Onnes Laboratorium, Universiteit Leiden.
Atomaire draden
Enkele jaren geleden ontdekten onderzoekers van het Leidse Kamerlingh Onnes Laboratorium met financiële steun van de Stichting FOM dat drie metalen (goud, platina en iridium) draden kunnen vormen van maar één atoom dik. Atomaire gouddraden zijn een bijna perfecte geleider: op atomaire schaal geleiden ze elektronen met een efficiëntie van bijna 100%. Aan de slag dus ermee om uit te zoeken hoe lang en sterk die draden kunnen worden.
Eerder rekenden Deense en Braziliaanse wetenschappers al voor dat zuurstofatomen de atomaire draden horen te verstevigen. De chemische binding tussen een goud- en een zuurstofatoom is namelijk sterker dan de binding tussen twee goudatomen. Zuurstof verstevigt niet alleen gouddraden, het maakt ook draden van zilver en koper mogelijk. Zonder zuurstof vormen die twee atoomsoorten namelijk helemaal geen atomaire draden.
___________________________________________________________________________________
Aardmagnetisch veld op z’n kop
Normaal merken we niet zoveel van het aardmagnetisme. Pas vrij kort geleden ontdekten de geleerden dat het niet alleen handig is omdat anders onze kompassen niet zouden werken, maar dat het bovendien van doorslaggevend belang is voor de bescherming van het leven op onze planeet. Hoe komt dat?
De aarde is een supermagneet. Wanneer ze dat is geworden, weten we niet precies; waarschijnlijk was het een paar miljard jaar geleden. Haar magnetisch veld strekt zich tot ver in de ruimte uit, en vormt de (onzichtbare) magnetosfeer. Die magnetosfeer heeft de vorm van een uitgerekte druppel, waarvan de punt van de zon af gericht is. De zon verliest namelijk voortdurend gasdeeltjes uit de corona of zonneatmosfeer. De stroom van geladen deeltjes, merendeels protonen en elektronen, bereiken na een of twee dagen de omgeving van de aarde en hebben dan een snelheid van 1 tot 2 miljoen kilometer per uur.
Deze snelstromende zonnewind oefent een constante druk uit op de magnetosfeer, waardoor deze als een soort komeetstaart van de zon af wordt geblazen. Waar de magnetische druk sterk genoeg is om de zonnewind tegen te houden, ligt de grens van de magnetosfeer, de magnetopauze. In de richting van de zon is ze ingedrukt; daar ligt ze op gemiddeld 60.000 kilometer van het aardoppervlak. Aan de achterzijde van de aarde strekt ze zich als een kielzog van ongeveer een miljoen kilometer uit. De snelheid waarmee de zonnewind op de voorkant van de magnetosfeer botst is zo groot, dat 20.000 kilometer vóór de magnetopauze een schokgolf ontstaat. Tussen deze schokgolf en de magnetopauze bevindt zich een bijzonder roerig gebied, waarin de deeltjes van de zonnewind om de magnetopauze héén stromen.
Op deze manier wordt de aarde afgeschermd van het dagelijkse bombardement door zonnedeeltjes, die voor het leven zeer schadelijk en zelfs dodelijk zouden zijn. Kunnen deze deeltjes dan nooit de aarde bereiken? Dat wel; maar dan levert het alleen maar een fraai schouwspel op. Aan de (magnetische) polen van de aarde bewegen de lijnen van het aardmagnetisch veld zich namelijk in loodrechte richting naar het aardoppervlak.
Zowel boven de magnetische noord- als zuidpool zit dus een zwakke plek, waar de geladen deeltjes langs de veldlijnen naar onze atmosfeer kunnen afdalen. Bij sterke zonneactiviteit ontstaat aan de polen zo het noorder- en zuiderlicht: de binnendringende deeltjes botsen met de atomen in de buitenste dampkringlagen. Het poollicht kan zich in de meest fantastische vormen voordoen, van stralende stervormige corona's tot reusachtige bogen en draperieën. (Ons land ligt overigens te zuidelijk om het noorderlicht in al zijn glorie te aanschouwen; slechts een enkele keer is de gloed ervan boven de noordwestelijke horizon te zien.)
Binnen de magnetosfeer bevinden zich nog twee gevaarlijke stralingsgordels. Ze worden genoemd naar hun ontdekker James van Allen, die ze in 1958 ontdekte met behulp van metingen door de satelliet Explorer 1. De binnenste gordel – op circa 16.000 kilometer van het middelpunt van de aarde – bevat voornamelijk zeer energierijke protonen. Deze deeltjes bewegen zich met snelheden van 100.000 kilometer per seconde tot bijna de lichtsnelheid langs de magnetische veldlijnen heen en weer, maar blijven op een veilige afstand van de aarde zelf. De buitenste stralingsgordel ligt op 24.000 kilometer van de binnenste en bevat merendeels elektronen. Ze bewegen zich op gelijke wijze als de deeltjes in de binnengordel, maar kunnen gemakkelijker ontsnappen. Men denkt dat de deeltjes in de Van Allengordels de overblijfselen zijn van kosmische straling die bij botsingen met atomen in de hoge aardatmosfeer uiteen is gevallen, of dat ze zijn binnengedrongen via de aardmagnetische ‘komeetstaart’.
Bij sterke zonsuitbarstingen komt soms een zó explosieve gaswolk vrij, dat de hele magnetosfeer van de aarde aanzienlijk wordt ingedrukt, en er sterke magnetische stormen gaan woeden die het radioverkeer tijdelijk onmogelijk maken. De zonsuitbarstingen bereiken hun hoogtepunt om de elf jaar (de zgn. zonnevlekkenperiode). In 2005 bevinden we ons in een minimum aan zonneactiviteit, en er is dan ook weinig of geen poollicht te ontwaren.
Tot zover zijn we dus aardig veilig voor het dodelijke bombardement van de zonnewind. Het aadmagnetisch veld neemt echter met 5 procent per eeuw af, hetgeen angstig snel is, omdat het op die manier omstreeks het jaar 4000 tot een minimum zal zijn teruggebracht. Pas enkele duizenden jaren later zal de dynamo van de aarde zich langzaam herstellen. Dan ontstaat een nieuw veld, nu echter met de noord- en zuidpool onderling verwisseld. De kompassen zullen dan naar het zuiden wijzen in plaats van het noorden.
Op zichzelf is dit niets bijzonders. De zon ondergaat elke 22 jaar zo’n ompoling; en met de aarde is het de laatste 4 miljoen jaar als 16 keer gebeurd. De laatste keer 730.000 jaar geleden. Misschien is het niet toevallig dat uigerekend toen onze aapachtige voorouders zich zo snel tot echte menselijke verder ontwikkelden. Onderzoekingen wijzen namelijk uit dat sommige diersoorten overgevoelig zijn voor het uitvallen van het beschermende magneetveld. Men verwacht daarom dat zich ook in de loop van de komende duizenden jaren vele mutaties (spongsgewijze veranderingen in de levensvormen) zullen voordoen, vooral als het herstel van de aarddynamo lang duurt. We kunnen echter met geen mogelijkheid voorspellen hoeveel tijd dit hele proces in beslag gaat nemen. In het ergste geval zal de nagenoeg vrij binnendringende zonnewind niet alleen over de hele wereld het klimaat danig in de war schoppen, maar ons ook blootstellen aan een bombardement van deeltjes met griezelig hoge snelheden.
Het is de vraag of de menselijke soort dat normaal zal overleven. Gelukkig hebben we nog tijd om er iets op te vinden. Tegen die tijd beschikken we ongetwijfeld over fabelachtige technische mogelijkheden. Het is denkbaar dat hele steden met reusachtige magnetische beschermingsschilden worden overkoepeld. Of we gaan gewoon ondergronds of onderzees wonen. Maar misschien loopt het allemaal zo’n vaart niet en houdt de aarde nog genoeg magnetisch veld over. In dat geval zullen onze nakomelingen in de zoveelste graad kunnen rekenen op een fantastische vertoning van poollicht, en dat zal dan niet alleen meer aan de polen zijn te zien!
bron: kennisnet
___________________________________________________________________________________
Mag het een zeptogrammetje meer zijn?
Wetenschappers van Caltech in Pasadena (VS) zijn er in geslaagd om een zeptogram, ofwel een eiwitmolecuul, ofwel 10-21 gram te wegen. Daarmee vestigden ze een nieuwe record.
De wetenschappers maakten gebruik van een uiterst dun blaadje silicium carbide, dat vibreert in een magnetisch veld. Deze vibratie genereert een voltage in een aan de opstelling bevestigde draad. Als atomen of moleculen op het oppervlak van het blad worden aangebracht veranderen ze, ondanks hun slechts zeer geringe massa, de frequentie van de trilling en daarmee het voltage.
De onderzoekers hebben op deze manier een cluster van xenonatomen gewogen dat ruwweg de massa van één enkel eiwitmolecuul heeft. De detectielimiet is hiermee een factor 1000 scherper gezet.
Om daadwerkelijk de massa van eiwitten nauwkeurig te meten moet het meetinstrument echter nog een factor 1000 nauwkeuriger worden, in staat om yoctogrammen (10-24 gram) te meten. Eén yoctogram is ongeveer gelijk aan de massa van één proton.
De onderzoekers hopen dat ze hun methode uiteindelijk kunnen gebruiken in onder andere medische testen. Hiermee zou bijvoorbeeld een vroege diagnose van een ziekte kunnen worden gesteld door een markermolecuul in een druppel bloed aan te tonen.
bron: New Scientist
|
|
|