Klok van het Lange Nu

Ik wil een klok bouwen die één keer per jaar tikt. De eeuwwijzer gaat eens in de honderd jaar vooruit, en de koekoek komt uit op het millennium. Ik wil dat de koekoek elk millennium komt voor de komende 10.000 jaar. Als ik opschiet moet ik de klok op tijd af hebben om de koekoek voor het eerst te zien verschijnen.

– Danny Hillis, “The Millennium Clock”, Wired Scenarios, 1995

De basis ontwerpprincipes en eisen voor de klok zijn:

Langlevendheid: De klok moet ook na 10.000 jaar nog nauwkeurig zijn, en mag geen waardevolle onderdelen bevatten (zoals juwelen, dure metalen, of speciale legeringen) die geplunderd zouden kunnen worden.
Onderhoudbaarheid: Toekomstige generaties moeten de klok zo nodig aan de praat kunnen houden, met niets geavanceerders dan gereedschappen en materialen uit de Bronstijd.
Transparantie: De klok moet te begrijpen zijn zonder hem te stoppen of uit elkaar te halen; geen enkele functionaliteit mag ondoorzichtig zijn.
Evolueerbaarheid: Het moet mogelijk zijn om de klok in de loop van de tijd te verbeteren.
Schaalbaarheid: Om er zeker van te zijn dat de uiteindelijke grote klok goed zal werken, moeten er kleinere prototypes worden gebouwd en getest.

Of de klok daadwerkelijk zo’n lange tijd zorg en onderhoud zal blijven krijgen, valt te betwijfelen. Hillis koos het doel van 10.000 jaar om net binnen de grenzen van de aannemelijkheid te blijven. Er zijn technologische artefacten, zoals fragmenten van potten en manden, van 10.000 jaar in het verleden, dus er is enig precedent voor menselijke artefacten die zo lang overleven, hoewel zeer weinig menselijke artefacten meer dan een paar eeuwen continu zijn onderhouden.

Overwegingen over stroomvoorzieningEdit

Veel opties werden overwogen voor de stroombron van de klok, maar de meeste werden verworpen omdat ze niet aan de eisen konden voldoen. Zo zouden kernenergie- en zonne-energiesystemen in strijd zijn met de principes van transparantie en lange levensduur. Uiteindelijk besloot Hillis om voor het bijwerken van de wijzerplaat regelmatig menselijk opwinden van een vallend gewicht te eisen, omdat het klokontwerp al uitgaat van regelmatig menselijk onderhoud.

Hoewel de klok ook is ontworpen om de tijd bij te houden als hij niet wordt opgewonden: “Als er gedurende lange perioden geen aandacht is, gebruikt de klok de energie die wordt opgevangen door veranderingen in de temperatuur tussen dag en nacht op de bergtop erboven om zijn tijdwaarnemingsapparaat van energie te voorzien.”

Timing considerationsEdit

Het timingsmechanisme voor zo’n duurzame klok moet betrouwbaar en robuust zijn, en ook nauwkeurig. De opties die werden overwogen maar verworpen als bronnen van timing voor de klok waren onder meer:

Zelfstandige klokkenEdit

De meeste van deze methoden zijn onnauwkeurig (de klok zal langzaam de juiste tijd verliezen), maar zijn betrouwbaar (dat wil zeggen, de klok zal niet plotseling stoppen met werken). Andere methoden zijn nauwkeurig maar ondoorzichtig (dat wil zeggen dat de klok moeilijk af te lezen of te begrijpen is).

zwaartekrachtslinger (onnauwkeurig op de lange termijn, en vereist veel tikken, wat slijtage veroorzaakt)
torsieslinger (minder tikken, maar minder nauwkeurig)
balanswiel (onnauwkeuriger dan slinger)
waterstroom (onnauwkeurig en nat)
vaste stof stroom (onnauwkeurig)
slijtage en corrosie (zeer onnauwkeurig)
rollende ballen (zeer onnauwkeurig)
diffusie (onnauwkeurig)

stemvork (onnauwkeurig)

drukkamercyclus (onnauwkeurig)

inertieregelaar (onnauwkeurig)

atomaire oscillator (ondoorzichtig, moeilijk te onderhouden)
piëzo-elektrische kristaloscillator (ondoorzichtig, moeilijk te onderhouden)
atomair verval (ondoorzichtig, moeilijk precies te meten)

Externe gebeurtenissen die de klok zou kunnen volgen of waaraan hij zou kunnen worden aangepast

Veel van deze methoden zijn nauwkeurig (sommige externe cycli zijn zeer uniform over enorme stukken tijd) maar onbetrouwbaar (de klok zou volledig kunnen stoppen met werken als hij er niet in slaagt de externe gebeurtenis goed te volgen). Andere hebben weer andere moeilijkheden.

dagelijkse temperatuurcyclus (onbetrouwbaar)
seizoensgebonden temperatuurcyclus (onnauwkeurig)
getijdenkrachten (moeilijk te meten)
het draaiende traagheidsframe van de aarde (moeilijk nauwkeurig te meten)
sterrenuitlijning (onbetrouwbaar door weer)
zonnestelsel (onbetrouwbaar door weer)
tektonische beweging (moeilijk te te voorspellen en te meten)
orbitale dynamiek (moeilijk te schalen)
vandalisme (moeilijk te voorspellen)

burgerlijke wanorde (moeilijk te voorspellen)

burgeroorlog (moeilijk te voorspellen)
kernoorlog (moeilijk te voorspellen)
inslaggebeurtenis (moeilijk te voorspellen)

Hillis concludeerde dat geen enkele bron van tijdmeting aan de eisen kon voldoen. Als compromis zal de klok een nauwkeurige maar onbetrouwbare timer gebruiken om een onnauwkeurige maar betrouwbare timer bij te stellen, waardoor een fase-locked loop ontstaat.

In het huidige ontwerp houdt een langzame mechanische oscillator, gebaseerd op een torsieslinger, de tijd onnauwkeurig, maar betrouwbaar bij. Op het middaguur wordt het licht van de zon, een timer die nauwkeurig maar (door het weer) onbetrouwbaar is, door een lens geconcentreerd op een segment van metaal. Het metaal knikt en de knikkracht zet de klok terug naar het middaguur. De combinatie kan in principe zowel betrouwbaarheid als nauwkeurigheid op lange termijn opleveren.

Weergave van tijd en datumEdit

Veel van de gebruikelijke eenheden die op klokken worden weergegeven, zoals uren en kalenderdata, hebben na 10.000 jaar misschien nog maar weinig betekenis. Elke menselijke cultuur telt echter dagen, maanden (in een of andere vorm), en jaren, die allemaal gebaseerd zijn op maancycli en zonnecycli. Er zijn ook langere natuurlijke cycli, zoals de 25.765-jarige precessie van de aardas. Anderzijds is de klok een product van onze tijd, en het lijkt gepast hulde te brengen aan onze huidige arbitraire systemen van tijdmeting. Uiteindelijk leek het het beste om zowel de natuurlijke cycli als enkele van de huidige culturele cycli weer te geven.

In het midden van de klok zal een sterrenveld te zien zijn, dat zowel de siderische dag als de precessie van de dierenriem aangeeft. Daaromheen komt een display waarop de posities van de zon en de maan aan de hemel te zien zijn, evenals de maanstand en de hoek van de maan. Daarbuiten bevindt zich de efemere wijzerplaat die het jaar aangeeft volgens ons huidige Gregoriaanse kalenderstelsel. Dit zal een vijfcijferig display zijn, dat het huidige jaar aangeeft in een formaat als “02000” in plaats van het meer gebruikelijke “2000” (om een Y10K-probleem te voorkomen). Hillis en Brand zijn van plan om, als ze kunnen, een mechanisme toe te voegen waarbij de stroombron alleen genoeg energie genereert om de tijd bij te houden; als bezoekers de tijd willen zien, moeten ze zelf handmatig wat energie leveren.

Tijdberekeningen

Opties die in aanmerking komen voor het deel van de klok dat de tijdbron (bijvoorbeeld een slinger) omzet in weergave-eenheden (bijvoorbeeld wijzers van de klok) zijn onder meer elektronica, hydraulica, vloeistofkunde en mechanica.

Een probleem met het gebruik van een conventionele tandwielaandrijving (die het afgelopen millennium het standaardmechanisme is geweest) is dat tandwielen noodzakelijkerwijs een verhoudingsverhouding vereisen tussen de tijdbron en het display. De vereiste nauwkeurigheid van de verhouding neemt toe met de hoeveelheid tijd die moet worden gemeten. (Bijvoorbeeld, voor een korte periode kan de telling van 29,5 dagen per maanmaand volstaan, maar over 10.000 jaar is het getal 29,5305882 een veel nauwkeuriger keuze.)

Het bereiken van zulke nauwkeurige verhoudingen met tandwielen is mogelijk, maar onhandig; evenzo degraderen tandwielen in de loop van de tijd in nauwkeurigheid en efficiëntie door de schadelijke effecten van wrijving. In plaats daarvan maakt de klok gebruik van binaire digitale logica, mechanisch geïmplementeerd in een opeenvolging van gestapelde binaire optellers (of zoals hun uitvinder, Hillis, ze noemt, seriële bit-telders). In feite is de conversielogica een eenvoudige digitale computer (meer bepaald een digitale differentiaalanalysator), uitgevoerd met mechanische wielen en hefbomen in plaats van typische elektronica. De computer heeft een nauwkeurigheid van 32 bits, waarbij elk bit wordt vertegenwoordigd door een mechanische hefboom of pen die in één van twee posities kan staan. Deze binaire logica kan alleen de verstreken tijd bijhouden, zoals een stopwatch; om de verstreken tijd om te zetten in de plaatselijke zonnetijd (dat wil zeggen de tijd van de dag) trekt een nokje af van (of voegt toe aan) de nokschuif, die de adders bewegen.

Een ander voordeel van de digitale computer ten opzichte van de tandwielkast is dat hij beter evolueerbaar is. De verhouding tussen dag en jaar hangt bijvoorbeeld af van de draaiing van de aarde, die merkbaar maar niet erg voorspelbaar vertraagt. Dit kan voldoende zijn om bijvoorbeeld de maanstand in 10.000 jaar met een paar dagen te veranderen. Het digitale schema maakt het mogelijk die omzettingsverhouding aan te passen, zonder de klok stil te zetten, als de lengte van de dag op onverwachte wijze verandert.

LocatieEdit

De Long Now Foundation heeft de top van Mount Washington bij Ely, Nevada, dat wordt omringd door Great Basin National Park, aangekocht voor de permanente opslag van de klok op ware grootte, zodra deze is gebouwd. Hij zal worden ondergebracht in een reeks kamers (de langzaamste mechanismen zijn het eerst zichtbaar) in de witte kalkstenen kliffen, ongeveer 3.000 meter boven de Snake Range. De droogte, de afgelegen ligging en het gebrek aan economische waarde van de plaats zouden de klok moeten beschermen tegen corrosie, vandalisme en ontwikkeling. Hillis koos dit gebied van Nevada gedeeltelijk omdat het de thuisbasis is van een aantal dwerg borstelkegeldennen, waarvan de Stichting opmerkt dat ze bijna 5000 jaar oud zijn. De klok zal bijna geheel ondergronds worden gebouwd, en na voltooiing alleen toegankelijk zijn voor voetgangers vanuit het oosten.

Voordat de stichting de openbare klok in Nevada gaat bouwen, is zij bezig met de bouw van een klok op ware grootte van een soortgelijk ontwerp in een berg nabij Van Horn, Texas. De proefboringen voor de ondergrondse constructie op deze plaats zijn in 2009 begonnen. De locatie is eigendom van Amazon.com-oprichter Jeff Bezos, die ook de bouw ervan financiert. De lessen die zijn geleerd bij de bouw van deze eerste 10.000-jaarklok op ware grootte zullen worden gebruikt bij het definitieve ontwerp van de klok in Nevada.