Zoals het klokje in Colorado tikt, tikt het nergens FYSICA
De meest geavanceerde atoomklok loopt zelfs na miljarden jaren nog geen seconde verkeerd. Toch bouwen fysici aan een nog betere kernklok.
We hebben het eerst niet door dat we voor de meest precieze klok ter wereld staan, tijdens ons recente bezoek aan het onderzoeksinstituut Jila, gelegen op de campus van de Universiteit van Colorado in Boulder. In een verduisterd labo staan we voor een metershoge experimenteerkast met daarin een complexe, wat chaotische opstelling. Op de middelste lade staan tientallen instrumenten, verbonden met elkaar door een wirwar van kabeltjes. Ze belemmeren het zicht op het hart van de klok: een vacuümcel. Als de klok ‘aan’ staat, worden in deze cel strontiumatomen gekoeld tot vlak boven het absolute nulpunt, terwijl de deeltjes met laserlicht op hun plaats worden gehouden. Met een andere laser worden de atomen aangeslagen: hun elektronen springen naar een hoger energieniveau, en vallen daarna weer terug. Die energiesprongetjes, die overeenstemmen met de frequentie van het laserlicht, doen de strontiumklok ‘tikken’. Dat gebeurt met zo’n grote precisie dat het bijna veertig miljard jaar zou duren vooraleer de klok één seconde zou voor- of achterlopen.
Met een nauwkeurigheid tot liefst negentien cijfers na de komma beschikt het Jila momenteel over de recordhouder onder de atoomklokken. De strontiumklok is van het zogeheten optische type, en daarmee verschilt ze van de conventionele atoomklokken waarop de internationale standaardtijd is gebaseerd en die bijvoorbeeld in gps-satellieten zitten. Waar bij die laatste de atomen (vaak cesiumatomen) met microgolven worden aangeslagen, gebeurt dat bij strontium- en andere optische atoomklokken met laserlicht. De frequentie daarvan ligt veel hoger en daardoor tikken die klokken een stuk sneller, wat de haalbare precisie ten opzichte van ‘gewone’ atoomklokken opdrijft met een factor honderd.
Albert Einstein
Toch zullen strontiumklokken de standaard-cesiumklokken nog niet meteen vervangen. Ook die laatste houden de tijd betrekkelijk nauwkeurig bij – het duurt nog altijd 300 miljoen jaar voordat ze een seconde missen – en bovendien zijn hun meer klokvaste concurrenten nog experimentele prototypes. Toch bieden strontiumklokken al uitzicht op heel andere toepassingen dan het bijhouden van de tijd. Alexander Aeppli, masterstudent fysica aan het Jila, vertelt hoe hij en zijn collega-klokmakers twee jaar geleden het effect van de zwaartekracht op de tijd tot op millimeterniveau konden detecteren. Dat deden ze met een eerdere versie van hun strontium-atoomklok. “Tussen de bovenste en de onderste atomen in de vacuümcel zat maar een millimeter afstand. Toch merkten we dat de tijd onderaan net ietsje trager ging dan bovenaan, een gevolg van een verschil in aantrekking door de aarde.” Nooit eerder was de vertraging van de tijd door de zwaartekracht – ruim honderd jaar geleden voorspeld door Albert Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie – op zo’n kleine schaal vastgesteld. De krachttoer, die enkel mogelijk was dankzij de strontiumklok, haalde in februari 2022 de voorpagina van Nature.
Het detecteren en meten van tijdvertraging op almaar kleinere schaal heeft potentiële toepassingen in zowel fundamenteel als heel praktisch onderzoek. Kwantumfysici kunnen zo Einsteins theorie testen steeds dichter bij de microwereld – waar de theorie van de zwaartekracht op gespannen voet leeft met de kwantumtheorie. Aardwetenschappers, van geologen over glaciologen tot oceanologen, zouden zulke uiterst precieze klokken dan weer als hypergevoelige sensors kunnen gebruiken voor structuren of fenomenen onder het aardoppervlak. Buitengewoon grote of juist kleine massa’s of massaverplaatsingen kunnen zich immers verraden doordat ze met hun zwaartekracht de tijd trager of sneller doen gaan.
Stabielere kernklok
Zeker voor de laatste toepassing (precisie-geodesie genoemd) zou een draagbare, handzame optische atoomklok van pas komen. We zien het echter niet zo gauw gebeuren dat er van de strontiumklok uit Boulder een kleine, mobiele versie wordt gemaakt.
Misschien biedt nóg een ander type atoomklok soelaas. De laatste jaren groeit de interesse in de zogeheten kernklok. Ook daarbij worden atomen aangeslagen met laserlicht. Maar het zijn niet de elektronen die energiesprongetjes maken, maar de atoomkern zelf. Omdat de kern veel kleiner is dan het volledige atoom, zou een kernklok ‘van nature’ stabieler en minder gevoelig voor omgevingsfactoren zijn dan optische atoomklokken – en wat precisie betreft, zou ze ermee kunnen wedijveren. De atoomkernen die haar doen tikken zouden daardoor ook in vaste kristallen, in een soort van chip, kunnen worden ingeplant. Zo zou de grote en ingewikkelde afscherming zoals bij de strontiumklok niet nodig zijn.
De ontwikkeling van de kernklok is nog heel pril. Fysici zijn er bijvoorbeeld nog maar recent in geslaagd om het proces dat de klok doet tikken, in gang te zetten. Maar het toont aan dat de zoektocht naar steeds betere klokken blijft doorgaan. Om de tijd almaar correcter bij te houden, maar ook om nog tal van andere redenen.
Nooit eerder was de vertraging van de tijd door de zwaartekracht – voorspeld door Albert Einstein – op zo’n kleine schaal vastgesteld