Yttrium, atoom, klok

Verstrengelde atomen houden de tijd bij

Nog geen tiende seconde zou een nieuwe atoomklok afwijken als hij al sinds de oerknal liep. Door een vreemd kwantummechanisch verschijnsel te benutten is de klok zo gevoelig dat hij wellicht de mysterieuze donkere materie van het heelal kan opsporen.

Nog geen tiende seconde zou een nieuwe atoomklok afwijken als hij al sinds de oerknal liep. Door een vreemd kwantummechanisch verschijnsel te benutten is de klok zo gevoelig dat hij wellicht de mysterieuze donkere materie van het heelal kan opsporen.

Ken Ikeda Madsen / Shutterstock

Een moderne atoomklok loopt slechts 1 seconde in 300 miljoen jaar achter. Als hij 13,8 miljard jaar geleden bij het begin van alles was gaan tikken, zou hij nu nog geen minuut achterlopen. Dat is meer dan nauwkeurig genoeg voor je alledaagse afspraken – maar voor natuurkundigen niet.

Het punt is dat klokken tegen de onnauwkeurigheid van atomen zelf op lopen. Atomen worden beheerst door de vreemde wetten van de kwantummechanica, die voorschrijven dat hun trillingen nooit exact te kennen zijn.

Maar nu weten onderzoekers dat ze atoomklokken preciezer kunnen maken door gebruik te maken van een ander vreemd verschijnsel van de kwantummechanica – dat atomen die worden verstrengeld, als één werken.

Uitdijing van het heelal sinds de oerknal

Als de nieuwe atoomklok had gelopen sinds de oerknal 13,8 miljard jaar geleden het heelal in beweging zette, zou hij minder dan 0,1 seconde hebben verloren.

© Shutterstock

Het principe zou atoomklokken zo nauwkeurig maken dat ze nog geen tiende seconde zouden verliezen in de tijd die sinds de oerknal is verstreken. Met zulke precieze klokken kunnen natuurkundigen misschien eindelijk een van de grootste mysteries van de kosmologie oplossen: wat is donkere materie?

Licht laat elektronen springen

Alle klokken werken met een slingermechanisme. In een ouderwets slingeruurwerk is een gewicht bevestigd aan een stang die van links naar rechts slaat. Telkens als de slinger één keer heen en weer is gegaan, is er 1 seconde voorbij.

Als de lengte van de stang en het gewicht nauwkeurig zijn gemaakt, zal de slinger altijd met dezelfde frequentie slingeren en zal de klok nooit voor of achter gaan lopen.

Maar een slingeruurwerk is beperkt door de kwaliteit van stang en gewicht en de slijtage van het mechanisme.

Atoomklokken maken gebruik van het feit dat atomen een laser veel preciezer kunnen laten uitslaan dan een stang met gewicht.

Een atoom bestaat uit een kern van protonen en neutronen plus een aantal elektronen die daaromheen draaien. De vaste baan van het elektron rond de kern wordt bepaald door zijn energieniveau.

Wanneer een elektron in de atoomklok met een laser wordt bestookt, springt het naar een ander energieniveau: naar een andere baan rond de atoomkern. Het elektron wil echter naar zijn eigen energieniveau en springt snel terug.

Natuurkundigen kunnen meten wanneer het elektron terugspringt, en zo zijn sprong gebruiken om de frequentie van de laser zo fijn af te stellen dat deze perfect constant is. Het elektron verspringt namelijk alleen bij straling met een specifieke frequentie.

Deze frequentie werkt als de slinger van de atoomklok. In moderne atoomklokken, die gebaseerd zijn op het element ytterbium, slaat de slinger 518 triljoen keer per seconde.

Klokken bereiken natuurlimiet

Sinds de eerste atoomklok in 1949 werd gebouwd, hebben natuurkundigen hem steeds verder verfijnd.

Wetenschappers racen al 500 jaar tegen de tijd

Sinds het eerste slingeruurwerk in de 17e eeuw proberen uitvinders en wetenschappers om de tijd nauwkeuriger te meten en klokken kleiner te maken. Met de atoomklok is de seconde exact gedefinieerd.

1656: De slinger begint te zwaaien

Christiaan Huygens vond het eerste slingeruurwerk uit, geïnspireerd door studies over de eigenschappen van slingers in die tijd. Het concept was zo’n 20 jaar eerder bedacht door Galileo Galilei, maar hij wist het niet te voltooien.

Afwijking: 1 minuut per dag

Oude klok
© Ritzau Scanpix

1720: Tijd past in een vestzak

Hoewel zakhorloges al zo’n 200 jaar bestonden, vooral als sieraad, werden ze pas nauwkeurig genoeg toen er aan het begin van de 18e eeuw technische verbeteringen werden doorgevoerd.

Afwijking: 10 minuten per dag

Oud zakhorloge
© Ritzau Scanpix

1927: Kwartskristal vergroot precisie

De uitvinding van het kwartsuurwerk in het Bell-laboratorium in de VS betekende een nieuw niveau van precisie. De techniek was erop gebaseerd dat het kristal op een specifieke frequentie trilt.

Afwijking: circa 1 minuut per jaar

Kwartskristal vergroot de precisie
© Alamy

1949: Atomen meten de tijd

De eerste atoomklok werd ontwikkeld door het U.S. National Bureau of Standards (nu NIST). De klok was minder nauwkeurig dan de beste kwartsklokken uit die tijd, maar bewees dat het principe werkte.

Afwijking: circa 1 seconde in 8 maanden

Atomen meten de tijd
© Ritzau Scanpix

1955: Cesium herdefinieert de seconde

In Groot-Brittannië bouwden wetenschappers de eerste nauwkeurige atoomklok op basis van cesium-133. Enkele jaren later werd de seconde opnieuw gedefinieerd volgens de atoomklokstandaard.

Afwijking: 1 seconde in 316 jaar

Cesium en ‘de seconde’
© Ritzau Scanpix

1969: Horloges krijgen kwartskristallen

Het horloge Seiko Quartz Astron 35SQ komt op de markt. Het geldt als het eerste horloge op basis van kwartskristallen en maakt nauwkeurige tijdmeting bereikbaar voor gewone mensen.

Afwijking: 1 minuut per jaar

Polshorloge
© Deutches uhrenmuseum

HEDEN: Atoomklok regeert het land

Het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) gebruikt op ytterbium gebaseerde atoomklokken om de tijd in het land te meten.

Afwijking: 1 seconde op 300 miljoen jaar

Moderne atoomklokken
© NIST

De beste atoomklokken zijn nu zelfs zo goed dat ze de zogeheten standaardkwantumlimiet hebben bereikt. Alleen fundamentele natuurwetten verhinderen nog dat ze nauwkeuriger worden.

In de wereld van de kwantummechanica – het soort natuurkunde waaraan atomen gehoorzamen – heerst altijd enige onzekerheid. Dit is fundamenteel omdat je niet precies tegelijkertijd kunt weten waar een deeltje is en waar het heen gaat.

Natuurkundigen kennen de frequentie waarmee elektronen van energieniveau veranderen zeer precies, maar alleen als een gemiddelde van vele experimenten. Geen enkele energieovergang zal dus precies de bekende frequentie hebben, maar als er maar genoeg waarnemingen zijn, zal het gemiddelde kloppen.

Dit is het equivalent van een ouderwets slingeruurwerk dat niet noodzakelijkerwijs één keer per seconde slaat, maar soms een halve seconde na een slag en andere keren anderhalve seconde.

Als je zou trachten met zo’n slinger een nauwkeurige meting van een seconde te doen, zou de oplossing kunnen zijn een reeks klokken naast elkaar te zetten en het gemiddelde van hun slagen te nemen. Op dezelfde manier worden moderne atoomklokken gemaakt door enkele duizenden atomen tegelijk te beschieten en dan het gemiddelde te nemen.

Laser en atoomklokken

De trillingen van het licht van een laser, afgesteld door atomen, vormen de slinger van een atoomklok.

© N. Phillips / NIST

Het probleem is dat wetenschappers niet zeker kunnen weten of alle atomen een bepaalde keer te kort of te lang hebben geslagen. Maar de kans dat dit gebeurt neemt af naarmate er meer atomen worden bestookt. De statistische spreiding wordt nooit helemaal nul, maar wel kleiner.

Laser verstrengelt atomen

In het bedachte voorbeeld, waarbij de onderzoekers het gemiddelde namen van de slagen van vele slingers, zou je je kunnen voorstellen dat ze nog een stap verder gaan en de slingers elkaar laten helpen.

Door een stang tussen alle slingers te plaatsen, konden ze deze dwingen met dezelfde frequentie te slaan, want de slingers die iets te langzaam sloegen, zouden de snellere afremmen, en omgekeerd. Evenzo hebben natuurkundigen van het MIT in de VS nu de ytterbiumatomen in de klok met 350 atomen verstrengeld, zodat ze elkaar helpen de tijd bij te houden.

Atomen kunnen uiteraard niet verbonden worden met een staaf. Maar ze kunnen bestaan in zogeheten verstrengelde toestanden, waarbij atomen in een groep reageren alsof zij één zijn. Wanneer atomen verstrengeld zijn, wordt de onzekerheid verminderd omdat hun trillingen op één frequentie samenkomen, net als bij de gekoppelde slingers.

In de praktijk wordt de spin van de atomen – zeg maar hun rotatie – samengeperst door een laser. Wanneer de spins van atomen worden samengedrukt, betekent dit dat wanneer één atoom in een bepaalde richting draait, het atoom waarmee het is samengedrukt meer kans heeft om ook in die richting te draaien.

600 keer zo precies als andere atoomklokken is de nieuwe klok met verstrengelde deeltjes.

Als gevolg daarvan wordt de onzekerheid kleiner en de klok preciezer. De ‘verstrengelde’ atoomklok, die nog slechts een prototype is, is zelfs 600 keer zo nauwkeurig als traditionele atoomklokken. Hij zou nog geen tiende seconde verliezen in de 13,8 miljard jaar dat het heelal bestaat.

Donkere materie laat klokken verkeerd lopen

Zo’n hoge precisie geeft natuurkundigen nieuwe kansen om de mysterieuze donkere materie van het heelal te onderzoeken, die alleen valt waar te nemen via de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. De zwaartekracht en de door klokken gemeten tijd zijn nauw met elkaar verbonden, omdat de tijd trager verloopt waar de zwaartekracht sterker is.

Als metingen van de rotatie van sterrenstelsels worden vergeleken met metingen van de hoeveelheid materie daarin, komen de getallen niet overeen. De som klopt alleen als onderzoekers aannemen dat er in alle stelsels van het heelal materie is die op geen andere manier kan worden waargenomen dan via de zwaartekracht waarmee zij haar omgeving beïnvloedt.

Er is nog geen donkere materie in de buurt van de aarde waargenomen, maar ultraprecieze atoomklokken kunnen daar verandering in brengen.

Wanneer een golf donkere materie de aarde passeert, worden klokken beïnvloed door de zwaartekracht ervan en beginnen ze iets af te wijken. Met ultraprecieze atoomklokken in gps-satellieten valt onzichtbare materie dus te meten.

De aarde en donkere materie
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

1. Onzichtbare donkere materie treft de aarde

Een golf donkere materie passeert de aarde met circa 300 km/s. De materie wordt donker genoemd omdat ze geen straling uitzendt. Ze is alleen te zien door de zwaartekracht waarmee ze haar omgeving beïnvloedt.

Donkere materie en atoomklokken
© Ken Ikeda Madsen/Shutterstock

2. Materie vertraagt satellietklokken

Wanneer de donkere materie de eerste gps-satellieten (rood) passeert, zal haar zwaartekracht de atoomklokken aan boord iets vertragen. De atoomklokken van de satellieten lopen dus iets achter.

Donkere materie en atoomklokken
© Ken Ikeda Madsen / Shutterstock

3. Tijdsverschil is bewijs van donkere materie

De donkere materie is de satellieten aan de andere kant van de aarde nog niet gepasseerd. Daarom geven hun klokken een andere tijd aan. Het tijdsverschil bewijst dat de donkere materie is gepasseerd en de klokken heeft beïnvloed.

Als de donkere materie een klok passeert en die beïnvloedt, is dit te meten als een piepkleine fout in de tijdmeting. Hoe zwakker de wisselwerking van de donkere materie met zijn omgeving, hoe kleiner het foutje is – en hoe nauwkeuriger de klokken moeten zijn om het te kunnen opsporen.

Een groep onderzoekers van verschillende universiteiten en laboratoria in de VS probeert op deze manier donkere materie te meten.

Met gps-satellieten meten ze het minieme tijdsverschil dat optreedt wanneer donkere materie een van de satellieten is gepasseerd, maar de andere nog niet. Maar al hebben de satellieten atoomklokken, ze zijn tot dusver niet nauwkeurig genoeg om donkere materie op te sporen.

Volgens de wetenschappers worden de metingen beter met een netwerk van zeer precieze atoomklokken in satellieten of laboratoria op aarde. Dus misschien kan de nieuwe verstrengelde atoomklok het mysterie van donkere materie in het heelal ontrafelen.