Om Einsteins relativiteitstheorie te testen, hebben we extreem nauwkeurige klokken nodig. Twee onderzoeksgroepen hebben nu atoomklokken ontwikkeld die nieuwe precisierecords zetten. Deze testen de relativiteitstheorie op de millimeterschaal.

Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie vervormt de zwaartekracht van objecten zoals planeten of sterren de ruimtetijd. Hierdoor gaat de tijd langzamer als je dichter bij het object komt. Hoe verder een klok zich boven het aardoppervlak bevindt, hoe sneller hij dus tikt.

Ultranauwkeurige atoomklok

Omdat de zwaartekracht het tikken van een klok beïnvloedt, kan je ultranauwkeurige klokken gebruiken om het zwaartekrachtveld van de aarde in kaart te brengen. En je kunt er bijvoorbeeld zwaartekrachtgolven mee detecteren.

Een nieuwe winningsmethode voor diepe geothermische energie
LEES OOK
Een nieuwe winningsmethode voor diepe geothermische energie

Voor dergelijke detailmetingen moeten de atoomklokken heel precies zijn. Ook is het voor sommige toepassingen handig als de apparaten compact zijn. Nu vullen dit soort klokken vaak een lab.

Twee onafhankelijke Amerikaanse onderzoekgroepen hebben daar belangrijke stappen in gezet. Hun resultaten publiceerden ze in hetzelfde nummer van het wetenschappelijke tijdschrift Nature. De ene publicatie gaat over de meest nauwkeurige atoomklok ooit. De tweede publicatie gaat over een klok die net wat minder precies is, maar die wel demonstreert hoe de techniek compacter kan.

De atoomklok die nét niet de meest precieze meting deed. Bron: Shimon Kolkowitz.

Lasermetingen

De meest nauwkeurige klokken zijn optische atoomklokken. Die gebruiken de regelmaat waarmee atomen ‘tikken’ door heen en weer te springen tussen twee energieniveaus. Het tikken gaat met de frequentie van het licht dat bij deze energieovergangen wordt opgenomen of uitgezonden. Welke frequentie dat is, hangt af van de soort atomen. Zo gebruiken cesiumklokken een wolk cesiumatomen. Beide nieuwe atoomklokken werken met strontium.

De frequentie van de atomen wordt gemeten door met een laser met die frequentie op een wolk atomen te schijnen. Waarom gebruik je dan niet meteen de laserfrequentie als klok? Die is niet nauwkeurig genoeg, omdat laserfrequenties gemakkelijk verstoord raken. De klokken gebruiken de wolk atomen om continu te controleren of de frequentie van de laser nog klopt en die eventueel bij te stellen.

Millimeterschaal

Het verschil tussen de twee nieuwe optische atoomklokken is dat de ene de laser richt op één wolkje van strontiumatomen van ongeveer een millimeter groot. Het andere experiment kijkt met één laser naar twee wolkjes strontiumatomen, waarbij de ene een centimeter hoger zit.

Door de metingen over twee wolkjes te verdelen, konden de onderzoekers langer stabiel meten en waren ze minder afhankelijk van de kwaliteit van de laser. Deze techniek zou dus ook gebruikt kunnen worden in een compactere opstelling met een simpelere laser. Hun opstelling kan het verschil meten tussen twee klokken die na 300 miljard jaar tikken één seconde uit elkaar lopen.

De andere onderzoekers hadden een kwalitatief betere laser. Zij kregen het voor elkaar om nóg nauwkeuriger te meten. Bovendien konden ze het tijdverschil meten tussen de atomen bovenin en onderin het millimeter grote wolkje. Niet eerder is de relativiteitstheorie op die schaal getest en bevestigd. Zoals het klokje thuis tikt, tikt het een millimeter hoger niet.