Hoe ’s werelds meest nauwkeurige klok de basisfysica kan veranderen – 16-02-22 om 21:24

Atoomklok, een van de nauwkeurigste klokken ter wereld, aan de Universiteit van Boulder, Colorado (NIST/Hand-out)

Wetenschappers zijn erin geslaagd de algemene relativiteitstheorie van Einstein te observeren op de kleinste schaal die ooit is geprobeerd, door te bewijzen dat de twee klokken heel licht tikten toen ze slechts een fractie van een millimeter van elkaar verwijderd waren.

Volgens Jun Ye van de Universiteit van Boulder, Colorado, is het “veruit” het meest nauwkeurige horloge dat ooit is ontwikkeld. En het zou de weg kunnen banen voor nieuwe ontdekkingen in de kwantummechanica, die de subatomaire wereld beheerst.

De onderzoeker en zijn collega’s publiceerden hun resultaten woensdag in het prestigieuze tijdschrift Nature, waarin ze de technische vooruitgang beschrijven die hen in staat heeft gesteld een object te creëren dat 50 keer nauwkeuriger is dan hun vorige horloge, dat al in 2010 het nauwkeurigheidsrecord brak.

Einsteins algemene relativiteitstheorie, volgens welke het zwaartekrachtsveld van een zeer groot object de ruimtetijd vervormt, dateert van 1915. Volgens deze theorie vertraagt ​​de tijd naarmate men een belangrijke massa nadert.

Maar dit werd pas veel later geverifieerd dankzij de uitvinding van atoomklokken, die tijd meten door de overgang van atomen naar een hogere energietoestand te detecteren, wanneer ze worden blootgesteld aan een bepaalde frequentie.

In 1976 was een van de experimenten het sturen van een klok de ruimte in, die elke 73 jaar 1 seconde sneller bleek te zijn dan zijn tegenhanger op aarde.

Sindsdien zijn klokken nauwkeuriger geworden, en dus beter in het detecteren van de effecten van relativiteit.

Tien jaar geleden brak het team van Jun Ye een record door het tijdsverschil op te merken toen hun horloge 33 cm hoger werd gezet.

– ‘Theorie van alles’ –

Jun Ye’s doorbraak was het werken met zogenaamde “optical grid”-klokken, waarbij lasers werden gebruikt om atomen op bepaalde manieren te vangen. Deze techniek voorkomt dat ze vallen als gevolg van zwaartekracht of beweging, wat kan leiden tot verlies van nauwkeurigheid.

In het nieuwe horloge zitten 100.000 atomen strontium, ingeklemd in verschillende lagen, met een totale hoogte van één millimeter.

De klok is zo nauwkeurig dat toen deze groep in twee helften werd verdeeld, wetenschappers de tijdsverschillen tussen de bovenste en onderste helften konden detecteren.

Op dit gevoeligheidsniveau werken de horloges als sondes.

“Tijd en plaats zijn met elkaar verbonden”, vertelde Jun Ye aan AFP. “En met zo’n nauwkeurige meting van de tijd kun je in realtime zien hoe de ruimte verandert – de aarde is een levend, dynamisch lichaam.”

Dergelijke klokken kunnen het bijvoorbeeld mogelijk maken om in vulkanische gebieden ondergrondse harde rotsen te onderscheiden van lava, en zo vulkaanuitbarstingen te voorspellen.

Of bestudeer hoe de opwarming van de aarde ervoor zorgt dat gletsjers smelten en de zeespiegel stijgt.

Maar wat Jun Yi het meest boeit, is de rol die deze klokken kunnen spelen in de natuurkunde.

De klok van vandaag kan een tijdsverschil van meer dan 200 micrometer detecteren – maar door dat aantal te verlagen tot 20 zou de kwantumwereld kunnen worden onderzocht en een aantal theoretische hiaten kunnen worden opgevuld.

Als relativiteit prachtig verklaart hoe grote objecten zoals planeten of sterrenstelsels zich gedragen, is het onverenigbaar met de kwantummechanica, die zich bezighoudt met hele kleine dingen.

De kruising van de twee velden zou het mogelijk kunnen maken om een ​​volgende stap te zetten in de richting van een “theorie van alles” die in staat is alle fysieke verschijnselen van het universum te verklaren.