Zoals het klokje tikt

Tijd. Het is relatief zei Einstein. De tweelingbroer van de eerste reiziger naar de sterren zal baardeloos zijn verouderde en bebaarde broer terugzien. Of was het andersom? Maakt niet uit, tijd is relatief en verloopt dus niet overal met dezelfde snelheid, daar gaat het om.

chips
Volgende kopje. We weten allemaal dat de uitvinding van de silicium chip onze wereld heeft veranderd. Er is bijna geen apparaat meer denkbaar dat niet ergens een chip als onmisbaar element in zijn ingewanden heeft. En zelfs als het apparaat zelf geen chip in zich heeft – ik denk aan, maar twijfel over ons gasfornuis – dan is het wel ergens afhankelijk van een ander apparaat dat chips gebruikt. Het gasfornuis-voorbeeld zou weinig meer dan oud ijzer zijn zonder gas en ik weet met een aan zekerheid grenzende waarschijnlijkheid dat zonder chips onze gasleiding slechts onbrandbare lucht zou bevatten. Al was het maar omdat ik zonder chips de gasrekening niet meer kan betalen.

tik, tok
Maar gisteren kwam ik ineens op een idee wat mij het uitzoeken waard leek. Als oud-systeembeheerder heb ik meer computers van binnen gezien dan mij lief is. Ik stam nog uit de tijd dat de snelheid van een computer in MHz werd uitgedrukt. Een Hz is een eenheid voor aantal trillingen per seconde. Eén Hz (Hertz) is één complete cyclus per seconde. Een cyclus, wanneer je tijd op de x-as toepast wordt een golfvorm. Eén Hertz is dan een doorloop van top tot top. Als je een zwaaiende pendule bekijkt zie je een zelfde soort beweging. Ook die zwaait in Hertzen. Een computer heeft dus iets met tijd en met een pendule te maken. Er is iets met klokken en computers.

Niet meer opdraaien

Weer een volgend kopje. Mijn eerste horloge kreeg ik, net als mijn zes jaar oudere zus, van mijn opa toen ik tien werd. Dat was een traditie. We gingen naar de horloge winkel en ik mocht zelf een horloge uitzoeken. Ik had een hele gulle opa dus het werd er een met een zwarte draaibare seconden ring eromheen en een datum venstertje. Ik heb ‘m nog ergens liggen achter in een la.

Het knopje aan de zijkant kon je uittrekken om het horloge gelijk te zetten. Als je het knopje draaide zonder het uit te trekken dan draaide je het horloge op. Ergens binnenin werd een veer opgedraaid die dan via een vertragingsmechanisme langzaam ontspande en zo de energie over een paar dagen verdeelde. Best veel energie wist ik omdat de wekker die ik ooit uit elkaar had gehaald zijn energie in één keer in m’n gezicht deed springen. Het bij elkaar zoeken van de vele onderdeeltjes bleek een nutteloze actie aangezien ik met geen mogelijkheid die veer weer in zijn huis kreeg.

Terug naar het horloge. Ik was heel blij met dat horloge. Het was stoer. Totdat een vriendje in de klas een knol van een horloge kreeg – hij had misschien een rijkere opa – met een schermpje waarin cijfers oplichtte. Hij hoefde het horloge niet op te winden Zijn horloge had een batterijtje in plaats van een veer.

Hoe-werkt-dat fascinatie
Getuige de wekker ervaring had ik al vroeg de aandoening die je hoe-werkt-dat fascinatie zou kunnen noemen. Radio’s, scheerapparaten, wekkers, pick-up’s. Alles moest er aan geloven. De kennis van het gebruik van een schroevendraaier en de werking van een stoppenkast waren bij mij die van de Nederlandse spelling ver voor. Al doende leert men en na jaren vorsen – let wel, wikipedia was toen hoogstens een ongeboren idee – leerde ik hoe alle digitale processen afhankelijk zijn van de zwaaiende pendule. Zonder klok geen werkende chip en zonder werkende chip geen wasmachine meer.

Vadertje tijd deed het met een zandloper
Wij ervaren tijd als een lineair begrip. Tijd gaat voorbij. Gisteren komt nooit weerom, morgen is nog ver weg. Dat komt wellicht omdat we een eindig bestaan hebben. We beginnen bij nul en als de zandloper van vadertje tijd is doorgelopen is het gedaan met ons, geen zwaai terug. De pendule zwaait maar één keer. Eén Hertz zou je kunnen zeggen waarbij dankzij Einstein de seconde heel lang kan duren. Maar voor een computer wordt tijd bepaald door een heen en weer gaan van een (synthetisch) kristalletje. Het is dan weer 0, dan weer 1. Tik, tok. De snelheid waarmee het klokje tikt bepaald hoe vaak per seconde een chip zijn bestaansrecht verdient.

Voor de chip is er dus geen tijdsverloop, er is alleen een verandering van status en die is continu. En dat kristalletje is nu waar ik ineens door gefascineerd ben. Omgekeerd piëzo-elektrisch noemt men de eigenschap van bijvoorbeeld het quartz kristal. Quartz is het op een na meest voorkomende kristal in onze continentale aardkorst. Als je op quartz drukt geeft het kristal een stroompje af. Omgekeerd, als je er een stroompje op zet gaat het uitzetten en inkrimpen. En dat heel precies en binnen één richting – weinig fasevervorming noemt men dat. En die precisie is heel belangrijk voor tijdmetingen en processen die synchroon moeten lopen.

Er werd al onderzoek gedaan naar het piëzo-elektrisch effect van allerlei materiaal in het midden van de 18e eeuw. Het waren echter Pierre en Jacques Curie die in 1880 een onomstotelijk bewijs leverden voor de eigenschap en bedachten dat kristallen uitzonderlijk geschikt waren om dit effect te produceren. Zij hadden echter nog geen idee van het omgekeerde effect. Dat kwam een jaar later in 1881 toen Gabriel Lippman hen daar op wees.

Oorlog en vrede
Zoals zo vaak in de menselijke geschiedenis hebben we veel van onze vredige toepassingen te danken aan een ontwikkeling in een oorlog. Zou cricket zijn wat het nu is als we elkaar niet eerst met een zware stok de hersens hadden ingeslagen? In het geval van het quartz klokje is het de Eerste Wereldoorlog die wat schwung gaf aan de ontwikkeling. Toen werd namelijk de eerste echt praktische toepassing voor piëzo-elektrisch gedrag ontwikkeld: sonar.

Sonar valt of staat met het accuraat meten van een tijdsverloop. Je zendt een signaal uit en meet hoe lang het duurt tot het terugkomt. Aan de hand van die meting kun je uitrekenen hoe ver iets van je weg is en met meerdere metingen kun je meten of iets van je af gaat of naar je toe komt. Handig in een oorlog waarbij ook onder troebel water allerlei oorlogstuig rondvoer. Sonar werd ontwikkelt om onderzeeërs op te sporen. Daarna was het hek van de dam. De succesvolle toepassing van kristallen in sonar startte een vloed aan toepassingen.

Et tu computer?
En ook gij computer. Het moderne altaar waar wij allen onze informatie mee vergaren, onze communicatie mee doen, ons vermaak vandaan halen en onze wassen mee draaien – want ik heb het hier over computer in de breedste zin – zou nergens zijn zonder het kristal. Een materiaal en haar eigenschap, zo oud als het silicium zand in de zandloper van vadertje tijd, bestuurd onze hele samenleving. En dan ga je toch anders denken over ‘moderne’ techniek. Modern is relatief.