Atoomklokken zijn de ultieme tijdwaarnemingsapparatuur. Hun nauwkeurigheid is ongelooflijk, omdat een atoomklok binnen een miljoen jaar niet zoveel als een seconde zal afdrijven, en wanneer dit wordt vergeleken met de volgende beste chronometers, zoals een elektronische klok die in een week met een seconde kan afdrijven, een atoomklok is ongelooflijk nauwkeuriger.

Atoomklokken worden over de hele wereld gebruikt en vormen het hart van veel moderne technologieën die een veelheid aan toepassingen mogelijk maken die we als vanzelfsprekend beschouwen. Internethandel, satellietnavigatie, luchtverkeersleiding en internationaal bankieren zijn allemaal sectoren die sterk afhankelijk zijn

Ze bepalen ook de tijdschaal van de wereld, UTC (Coordinated Universal Time), die door een constellatie van deze klokken wordt aangehouden (hoewel UTC moet worden aangepast om rekening te houden met de vertraging van de aardse spin door het toevoegen van schrikkelseconden).

Computernetwerken moeten vaak worden gesynchroniseerd met UTC. Deze synchronisatie is van vitaal belang in netwerken die tijdsgevoelige transacties uitvoeren of een hoge mate van beveiliging vereisen.

Een computernetwerk zonder voldoende tijdsynchronisatie kan veel problemen veroorzaken, waaronder:

Verlies van gegevens

• Moeilijkheden bij het identificeren en registreren van fouten
• Verhoogd risico op beveiligingsinbreuken.
• Geen tijdgevoelige transacties kunnen uitvoeren

Om deze redenen moeten veel computernetwerken worden gesynchroniseerd met een bron van UTC en zo accuraat mogelijk worden bewaard. En hoewel atoomklokken grote, omvangrijke apparaten zijn die worden bewaard in de fysica laboratoria, is het ongelooflijk eenvoudig om ze als een bron van tijd te gebruiken.

Network Time Protocol (NTP) is een softwareprotocol dat uitsluitend is ontworpen voor de synchronisatie van netwerken en computersystemen en met behulp van een speciale NTP-server de tijd vanaf een atoomklok kan door de tijdserver worden ontvangen en via NTP via het netwerk worden gedistribueerd.

NTP-servers gebruiken radiofrequenties en meer in het algemeen de GPS-satellietsignalen om de atoomklok-timingsignalen te ontvangen die vervolgens over het netwerk worden verspreid, waarbij NTP regelmatig elk apparaat aanpast om te zorgen dat het zo nauwkeurig mogelijk is.

Wanneer je op oudejaarsavond aftelde om het begin van het volgende jaar te markeren, begon je bij 10 of 11? De meeste feestgangers zouden vanaf tien zijn afgeteld, maar ze zouden prematuur geweest zijn dit jaar omdat er vorig jaar een extra seconde was toegevoegd - de schrikkelseconde.

Schrikkelseconden worden normaal één of twee keer per jaar ingevoegd (normaal op oudejaarsavond en in juni) om de wereldwijde tijdschaal te garanderen GMT (Coordinated Universal Time) valt samen met de astronomische dag.

Sprong seconden zijn gebruikt sinds UTC voor het eerst werd geïmplementeerd en ze zijn een direct resultaat van onze nauwkeurigheid in tijdregistratie. Het probleem is dat modern atoomklokken zijn veel nauwkeuriger tijdwaarnemingsapparatuur dan de aarde zelf. Het werd opgemerkt toen atoomklokken voor het eerst werden ontwikkeld, dat de lengte van een dag, eens gedacht dat het precies 24-uren waren, varieerde.

De variaties worden veroorzaakt door de rotatie van de aarde die wordt beïnvloed door de zwaartekracht en de getijdekrachten van de aarde, die allemaal de rotatie van de aarde minutieus vertragen.

Dit draaien vertraagt, terwijl het maar minuscuul is, als het niet wordt gecontroleerd, dan zou de UTC-dag snel afdalen naar de astronomische nacht (zij het in enkele duizenden jaren).

De beslissing of een Leap Second nodig is, is de taak van de International Earth Rotation Service (IERS), maar Leap Seconds zijn niet bij iedereen populair en kunnen potentiële problemen veroorzaken wanneer ze worden geïntroduceerd.

UTC wordt gebruikt door NTP tijdservers (Network Time Protocol) als een tijdreferentie voor het synchroniseren van computernetwerken en andere technologie en de verstoring die Leap-seconden kunnen veroorzaken, wordt gezien als de moeite niet waard.

Anderen, zoals astronomen, zeggen echter dat het nalaten van UTC in overeenstemming met de astronomische dag het bestuderen van de hemelen bijna onmogelijk zou maken.

De laatste schrikkelseconde die is ingevoegd voordat deze in 2005 was, maar sinds 23 zijn er in totaal 1972 seconden aan UTC toegevoegd.

Ongeacht waar we ons in de wereld bevinden, we moeten allemaal de tijd weten op een bepaald moment van de dag, maar terwijl elke dag even lang duurt, ongeacht waar je bent op aarde, wordt hetzelfde tijdschema niet wereldwijd gebruikt.

De onpraktijk van Australiërs die bij 17.00 moeten ontwaken of die in de VS bij 14.00 moeten gaan werken, zou een enkele tijdschaal uitsluiten, hoewel het idee werd besproken toen de Greenwich de officiële prime meridiaan werd genoemd (waar de dateline officieel is) voor de wereld wat 125 jaar geleden.

Hoewel het idee van een globale tijdschaal om bovengenoemde redenen werd afgewezen, werd later besloten dat 24-lengtelijnen de wereld zouden opsplitsen in verschillende tijdzones. Deze zouden afkomstig zijn van GMT rond met die aan de andere kant van de planeet zijnde + 12 uren.

Door de groei van de wereldwijde communicatie van de 1970 is echter een universele tijdschaal uiteindelijk aangenomen en is deze nog steeds in gebruik, ondanks het feit dat veel mensen er nog nooit van hebben gehoord.

UTC, Coordinated Universal Time, is gebaseerd op GMT (Greenwich Meantime) maar wordt bewaard door een constellatie van atoomklokken. Het houdt ook rekening met variaties in de rotatie van de aarde met extra seconden, ook wel 'schrikkelseconden' genoemd, die één keer per twee keer per jaar worden toegevoegd om de vertraging van de rotatie van de aarde ten gevolge van zwaartekracht en getijdekrachten tegen te gaan.

Hoewel de meeste mensen nog nooit van UTC hebben gehoord of het direct gebruiken, is de invloed op ons leven onmiskenbaar met computernetwerken die allemaal via UTC zijn gesynchroniseerd NTP tijdservers (Network Time Protocol).

Zonder deze synchronisatie tot een enkel tijdsschema zouden veel van de technologieën en toepassingen die we tegenwoordig als vanzelfsprekend beschouwen onmogelijk zijn. Alles van wereldwijde handel in aandelen en aandelen tot internetshopping, e-mail en sociale netwerken worden alleen mogelijk gemaakt dankzij UTC en de NTP tijdserver.

Het DCF 77-signaal is een langegolftransmissie die wordt uitgezonden op 77 KHz vanuit Frankfurt in Duitsland. DCF -77 wordt overgedragen door Physikalisch-Technische Bundesanstalt, het Duitse nationale fysica laboratorium.

DCF-77 is een nauwkeurige bron van UTC-tijd en wordt gegenereerd door atoomklokken die voor precisie zorgen. DCF-77 is een nuttige bron van tijd die overal in Europa kan worden overgenomen door technologieën die een nauwkeurige tijdreferentie nodig hebben.

Radiogestuurde klokken en netwerk tijdservers ontvang het tijdsignaal en in het geval van tijdservers distribueert dit tijdsignaal over een computernetwerk. Het meeste computernetwerk gebruikt NTP om het DCF 77 tijdsignaal te distribueren.

Er zijn voordelen van het gebruik van een signaal zoals DCF voor tijdsynchronisatie. DCF is langgolvig en is daarom gevoelig voor interferentie van andere elektrische apparaten, maar deze kunnen gebouwen binnendringen die het DCF-signaal een voordeel geven ten opzichte van die andere bron van UTC-tijd die algemeen beschikbaar is - GPS (Global Positioning System) - waarvoor een open beeld van de hemel om satelliettransmissies te ontvangen.

Andere lange golf radiosignalen zijn beschikbaar in andere landen die vergelijkbaar zijn met DCF-77. In het Verenigd Koninkrijk wordt het MSF -60-signaal uitgezonden door NPL (National Physical Laboratory) uit Cumbria terwijl in de VS NIST (National Institute of Standards and Time) het WVBB-signaal uit Boulder, Colorado uitzendt.

NTP tijdservers zijn een efficiënte methode om deze langegolftransmissies te ontvangen en vervolgens de tijdcode te gebruiken als synchronisatiebron. NTP-servers kan DCF, MSF en WVBB ontvangen en ook velen van hen kunnen het GPS-signaal ontvangen.

Vanaf de vroege dagen van de industriële revolutie, toen spoorlijnen en de telegraaf over tijdzones overspanden, werd het duidelijk dat er een wereldwijde tijdschaal nodig was waardoor dezelfde tijd kon worden gebruikt, ongeacht waar ter wereld u zich bevond.

De eerste poging tot een globale tijdschaal was GMT - Greenwich Mean Time. Dit was gebaseerd op de Greenwich-meridiaan, waar de zon direct boven staat op 12 middag. GMT werd gekozen, voornamelijk vanwege de invloed van het Britse rijk op de rest als de wereldbol.

Andere tijdschalen waren ontwikkeld zoals British Railway Time, maar GMT was de eerste keer dat een echt wereldwijd systeem van tijd wereldwijd werd gebruikt.

GMT bleef gedurende de eerste helft van de twintigste eeuw het globale tijdsschema, hoewel mensen begonnen te verwijzen naar UT (Universele Tijd).

Toen atoomklokken echter in het midden van de twintigste eeuw werden ontwikkeld, werd al snel duidelijk dat GMT niet nauwkeurig genoeg was. Een globale tijdschaal gebaseerd op de tijd verteld door atoomklokken was gewenst om deze nieuwe nauwkeurige chronometers weer te geven.

International Atomic Time (TAI) werd voor dit doel ontwikkeld, maar problemen met het gebruik van atoomklokken werden al snel duidelijk.

Men dacht dat de omwenteling van de aarde op zijn as een exacte 24-uren was. Maar dankzij de atoomklokken werd ontdekt dat de draaiing van de aarde varieert en omdat de 1970 vertraagt. Deze vertraging van de rotatie van de aarde moest worden verantwoord omdat anders de verschillen zouden kunnen toenemen en de nacht langzaam naar binnen zou afdrijven (zij het in vele millennia).

Coordinated Universal Time is ontwikkeld om dit tegen te gaan. Gebaseerd op zowel TAI als GMT, staat UTC de vertraging van de rotatie van de aarde toe door elk jaar of twee (en soms twee keer per jaar) schrikkelseconden toe te voegen.

UTC is nu een echt wereldwijde tijdschaal en wordt door landen en technologieën overal ter wereld overgenomen. Computernetwerken worden via UBC gesynchroniseerd met UTC netwerk tijdservers en zij gebruiken het protocol NTP om nauwkeurigheid te garanderen.

Atoomklokken zijn een wonder in vergelijking met andere vormen van tijdwaarnemers. Het zou 100,000-jaren overnemen voor een atoomklok om een ​​seconde in de tijd kwijt te raken, wat vooral ontzagwekkend is wanneer je het vergelijkt met digitale en mechanische klokken die op een dag zoveel kunnen afdrijven.

Maar atoomklokken zijn geen praktische apparaten om op kantoor of thuis te hebben. Ze zijn omvangrijk, duur en vereisen laboratoriumomstandigheden om effectief te kunnen werken. Maar gebruik maken van een atoomklok is eenvoudig genoeg, vooral als atoomtijdwachters het leuk vinden NIST (National Institute of Standards and Time) en NPL (National Physical Laboratory) zenden de tijd uit zoals verteld door hun atoomklokken op korte golfradio.

NIST verzendt zijn signaal, bekend als WWVB uit Boulder, Colorado en wordt uitgezonden op een extreem lage frequentie (60,000 Hz). De radiogolven van het WWVB-station kunnen alle continentale Verenigde Staten omvatten, plus een groot deel van Canada en Midden-Amerika.

Het NPL-signaal wordt uitgezonden in Cumbria in het Verenigd Koninkrijk en wordt via soortgelijke frequenties verzonden. Dit signaal, dat bekend staat als MSF, is overal in het VK beschikbaar en vergelijkbare systemen zijn beschikbaar in andere landen, zoals Duitsland, Japan en Zwitserland.

Radiogestuurde atoomklokken ontvangen deze langegolfsignalen en corrigeren zichzelf volgens elke afwijking die de klok detecteert. Computernetwerken maken ook gebruik van deze atoomkloksignalen en maken gebruik van het protocol NTP (Network Time Protocol) en dedicated NTP tijdservers om honderden en duizenden verschillende computers te synchroniseren.

Een van 's werelds meesten nauwkeurige atoomklokken wordt in een baan om de aarde gelanceerd en gekoppeld aan het International Space Station (ISS) dankzij een overeenkomst ondertekend door het Franse ruimteagentschap.

De atoomklok FARAO (Projet d'Horloge Atomique par Refroidissement d'Atomes en Orbite) moet aan het ISS worden bevestigd in een poging nauwkeuriger de Einsteins theorie van zowel relatief als vergroting van de nauwkeurigheid van Coordinated Universal Time te testen (GMT) onder andere geodesie-experimenten.

PHARAO is een cesium-atoomklok van de volgende generatie met een nauwkeurigheid die overeenkomt met minder dan een drift per 300,000-jaar. PHARAO wordt gelanceerd door het European Space Agency (ESA) in 2013.

Atoomklokken zijn de meest nauwkeurige tijdregistratie-instrumenten die beschikbaar zijn voor de mensheid, maar ze zijn vatbaar voor veranderingen in zwaartekracht, zoals voorspeld door Einsteins theorie, omdat de tijd zelf wordt geteisterd door de aantrekkingskracht van de aarde. Door deze nauwkeurige atoomklok in een baan om de aarde te plaatsen, wordt het effect van de zwaartekracht van de aarde verminderd, waardoor FARAO nauwkeuriger kan zijn dan op de aarde gebaseerde klok.

Terwijl atoomklokken zijn niet nieuw in een baan, zoals veel satellieten; inclusief het GPS-netwerk (Global Positioning System) bevatten atoomklokken, maar FARAO zal een van de nauwkeurigste klokken zijn die ooit in de ruimte zijn geïntroduceerd, waardoor het voor veel meer gedetailleerde analyse kan worden gebruikt.

Atoomklokken bestaan ​​al sinds de 1960's maar hun toenemende ontwikkeling heeft de weg geëffend voor meer en meer geavanceerde technologieën. Atoomklokken vormen de basis van vele moderne technologieën, van satellietnavigatie tot computernetwerken om effectief over de hele wereld te communiceren.

Computer netwerken ontvang tijdsignalen van atoomklokken via NTP tijdservers (Network Time Protocol) waarmee een computernetwerk nauwkeurig kan worden gesynchroniseerd binnen enkele milliseconden UTC.

Ondanks dat het al meer dan twintig jaar bestaat, heeft het huidige favoriete protocol van de meeste netwerken, NTP (Network Time Protocol), enige concurrentie.

Momenteel wordt NTP gebruikt om computernetwerken te synchroniseren met behulp van netwerk tijdservers (NTP-servers). Momenteel kan NTP een computernetwerk tot enkele milliseconden synchroniseren.

Het Precision Time Protocol (PTP) of IEEE 1588 is ontwikkeld voor lokale systemen die een zeer hoge nauwkeurigheid vereisen (naar nano-seconde niveau). Momenteel valt dit type nauwkeurigheid buiten de mogelijkheden van NTP.

PTP vereist een master- en slaaf-relatie-schip in het netwerk. Een tweestaps proces is vereist om apparaten te synchroniseren met behulp van de IEEE 1588 (PTP). Eerst wordt bepaald welk apparaat de master is en vervolgens worden de offsets en natuurlijke netwerkvertragingen gemeten. PTP maakt gebruik van het Best Master Clock-algoritme (BMC) om vast te stellen welke klok op het netwerk het meest nauwkeurig is en het wordt de master terwijl alle andere klokken slaven worden en met deze master worden gesynchroniseerd.

IEEE (Instituut voor elektrische en elektronische ingenieurs) beschrijft IEEE 1588 of (PTP) zoals ontworpen om "een niche te vullen die niet goed wordt bediend door een van de twee dominante protocollen, NTP en GPS. IEEE 1588 is ontworpen voor lokale systemen die zeer hoge nauwkeurigheden vereisen die verder gaan dan degene die met NTP kunnen worden bereikt. Het is ook ontworpen voor toepassingen die de kosten van een GPS-ontvanger op elk knooppunt niet kunnen dragen of waarvoor GPS-signalen ontoegankelijk zijn. "(Geciteerd in Wikipedia)

PTP kan een nauwkeurigheid van enkele nanoseconden leveren, maar dit soort nauwkeurigheid is voor de meeste netwerkgebruikers niet vereist. Het doelgebruik van PTP lijkt echter te bestaan ​​uit mobiel breedband en andere mobiele technologieën omdat PTP time-of-day informatie ondersteunt, gebruikt door facturerings- en serviceniveau-overeenkomstrapportagefuncties in mobiele netwerken.

Van polshorloges tot atoomklokken en NTP-tijdservers, het begrip van tijd is cruciaal geworden voor veel moderne technologieën zoals satellietnavigatie en wereldwijde communicatie.

Van tijd tot dilatatie tot de effecten van de zwaartekracht op tijd, de tijd heeft vele vreemde en prachtige facetten die wetenschappers pas beginnen te begrijpen en te gebruiken. Hier zijn enkele interessante, rare en ongewone feiten over de tijd:

• Tijd is niet gescheiden van ruimte, tijd maakt wat Einstein vierdimensionale ruimtetijd noemde. De ruimtetijd kan worden vervormd door de zwaartekracht, wat betekent dat de tijd vertraagt ​​naarmate de invloed van de zwaartekracht groter is. Dankzij atoomklokkende tijd op aarde kan worden gemeten op elke volgende centimeter boven het aardoppervlak. Dat betekent dat de voeten van elk lichaam jonger zijn dan hun hoofd als de tijd langzamer loopt, hoe lager de grond die je krijgt.

• Tijd wordt ook beïnvloed door snelheid. De enige constante in het universum is de snelheid van het licht (in een vacuüm) die altijd hetzelfde is. Vanwege de beroemde relativiteitstheorieën van Einstein, iedereen die tegen de snelheid van het licht reist, zou een reis naar een waarnemer die duizenden jaren had geduurd, binnen enkele seconden zijn verstreken. Dit wordt tijddilatatie genoemd.

• Er is niets in de hedendaagse natuurkunde dat tijdreizen zowel vooruit als achteruit in de tijd verbiedt.

• Er zijn 86400 seconden op een dag, 600,000 in een week, meer dan 2.6 miljoen in een maand en meer dan 31 miljoen in een jaar. Als je 70-jaar oud bent, dan zul je 5.5 miljard seconden hebben meegemaakt.

• Een nanoseconde is een miljardste van een seconde of ongeveer de tijd die het duurt voordat het licht zich verplaatst om 1-voet (30 cm).

• Een dag is nooit 24 uren lang. De rotatie van de aarde versnelt geleidelijk, wat betekent dat de globale tijdschaal UTC (gecoördineerde universele tijd) een of twee keer per jaar schrikkelseconden moet hebben. Deze schrikkelseconden worden automatisch verwerkt in elke kloksynchronisatie die wordt gebruikt NTP (Network Time Protocol) zoals a dedicated NTP tijdserver.

tijdsynchronisatie is cruciaal voor veel van de applicaties die we tegenwoordig op internet doen; internetbankieren, online reserveren en zelfs online veilingen vereisen allemaal netwerktijdsynchronisatie.

Als u er niet zeker van bent dat hun servers voldoende gesynchroniseerd zijn, betekent dit dat veel van deze toepassingen onmogelijk te bereiken zijn; stoelreserveringen kunnen meer dan eens worden verkocht, lagere biedingen kunnen internetveilingen winnen en het zou mogelijk zijn om levensverzekeringen van de bank twee keer in te trekken als ze niet over voldoende synchronisatie beschikken (goed voor u, niet voor de bank).

Zelfs computernetwerken die op het eerste gezicht niet afhankelijk zijn van tijdgevoelige transacties moeten ook adequaat worden gesynchroniseerd, omdat het bijna onmogelijk kan zijn om fouten op te sporen of het systeem te beschermen tegen kwaadwillende aanvallen als de tijdstempels verschillen op verschillende machines in het netwerk. .

Veel organisaties kiezen ervoor om te gebruiken internet tijdservers als een bron van UTC (Coordinated Universal Time) - de atomaire klok bestuurde globale tijdschaal. Hoewel er veel beveiligingsproblemen zijn, zoals een gat achterlaten in de firewall om te communiceren met de tijdserver en geen verificatie hebben voor het tijdssynchronisatieprotocol NTP (Network Time Protocol).

Door te zeggen dat veel netwerkbeheerders nog steeds kiezen voor online tijdservers als UTC-bron, ongeacht de beveiligingsimplicaties, hoewel er andere zaken zijn waar beheerders zich bewust van moeten zijn. Op internet zijn er twee soorten tijdserver: stratum 1 en stratum 2. Stratum 1-servers ontvangen een tijdsignaal rechtstreeks van een atoomklok, terwijl stratum 2-servers een tijdsignaal ontvangen van een stratum 1-server. De meeste internet stratum 1-servers zijn gesloten - niet beschikbaar voor de meeste beheerders en er kan een tekort aan nauwkeurigheid zijn bij het gebruik van een stratum 2-server.

Voor de meest nauwkeurige, veilige en nauwkeurige timinginformatie externe NTP-tijdservers zijn de beste optie, omdat dit stratum 1-apparaten zijn die honderden machines op een netwerk kunnen synchroniseren met exact dezelfde UTC-tijd.