Vad varje klocka behöver

En klocka mäter inte tid på samma sätt som en linjal mäter längd. Det finns inget att hålla upp mot "en sekund". Det en klocka egentligen gör är att räkna något som upprepas i jämn takt och visa antalet.

Det där "något som upprepas" kan vara en svängande vikt, ett roterande hjul, en vibrerande kristall eller en vibrerande atom. Oavsett vad det är byggs alla klockor, gamla som moderna, av samma fyra delar:

• En oscillator: det som upprepas. Den gör samma rörelse om och om igen och är den del som bestämmer takten.
• En räknare: något som räknar ihop upprepningarna (kugghjul med tänder eller elektroniska kretsar).
• En energikälla: en fallande vikt, en uppdragen fjäder eller ett batteri, eftersom alla riktiga oscillatorer förlorar lite energi varje gång de svänger och skulle stanna utan påfyllning.
• En visning: visare på en urtavla eller siffror på en skärm, som omvandlar antalet till timmar, minuter och sekunder.

Längden på en upprepning är perioden, som skrivs T och mäts i sekunder. Hur många upprepningar som sker varje sekund är frekvensen, som skrivs f och mäts i hertz (Hz). De är två sätt att säga samma sak:

f = 1 / T och T = 1 / f

En svängning som tar 0.5 s har frekvensen 1 / 0,5 = 2 Hz: två svängningar varje sekund. En långsam svängning på 2 s har frekvensen 0,5 Hz. Kom ihåg de här två talen: en pendel med perioden 2 s är den berömda "sekundpendeln", eftersom den tickar en gång varje sekund (en gång på vägen ut och en gång på vägen tillbaka).

Klockornas historia handlar till stor del om historien bakom bättre oscillatorer. Här är familjen du kommer att möta i den här kursen:

Högre frekvens gör inte ensam en klocka bättre, men den ger dig finare delar av tiden att räkna, och de bästa oscillatorerna är också mycket bra på att hålla sin takt.

Ett ord för den där sista egenskapen: Q, kvalitetsfaktorn. En oscillator med högt Q fortsätter att ringa länge innan ljudet tonar bort, som en bra klocka jämfört med en dov duns. Den förlorar mycket lite energi per svängning, så små knuffar och små störningar förändrar dess takt väldigt lite. Att gå från en pendel till ett balanshjul, sedan till kvarts och därefter till atomer handlar för det mesta om att gå mot högre och högre Q. Du ska inte räkna ut Q än – tänk bara på bilden av en klocka som fortsätter att ringa om och om igen.

En oscillator är också det som skiljer en klocka från ett solur. Ett solur visar tiden med hjälp av solens rörelse, så det fungerar bara i dagsljus och klart väder, och visar soltid, som skiljer sig lite från ”klocktid” (labbet om solen, jorden & månen förklarar varför). En pendel eller en kristall fortsätter att gå på natten, i en grotta, på ett fartyg och på månen. Det oberoendet från väder och himmel var det som gjorde mekaniska klockor så användbara.