Een ultra-stabiele optische atoomklok op basis van ytterbium in het NIST. Foto: Burrus/NIST

Onderzoekers vergelijken 14 jaar lang 12 atoomklokken en bevestigen Einsteins "liftexperiment"

Door het "tikken" van verschillende types van atoomklokken op verschillende plaatsen bijna 15 jaar lang te vergelijken, hebben natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology (NIST) de meest precieze test ooit uitgevoerd van een sleutelprincipe van Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie. Dat principe, local position invariance (LPI), zegt dat natuurwetten onafhankelijk zijn van plaats en tijd, en het heeft de test met glans doorstaan.  

Een deel van het genie van Albert Einstein was het feit dat hij in staat was om enkel met zijn verbeelding bepaalde zaken uit te knobbelen. Die zogenoemde "Gedankenexperimente" (gedachte-experimenten) hebben veel van de inzichten opgeleverd die hij verwerkt heeft in zijn theorie van de algemene relativiteit.  Die theorie beschrijft hoe de zwaartekracht zich verhoudt tegenover de ruimtetijd. 

Een van de bekendere gedachte-experimenten gaat over een denkbeeldige lift. Iemand in de lift zou niet in staat zijn om het verschil te merken tussen een zwaartekrachtveld en versnelling, stelt Einstein. De neerwaartse druk die je normaal voelt van de aarde die aan je trekt, zou net zo goed de lift kunnen zijn die "naar boven", naar je toe, versnelt zonder enige zwaartekracht. In de lift, zonder ramen, zou het onmogelijk zijn om het verschil te merken.

Een ander aspect van het gedachte-experiment zegt dat alle zaken in de lift dezelfde versnellingen zouden ondergaan, en dat hun onderlinge eigenschappen constant zouden blijven en niet zouden veranderen. Dat principe wordt "local position invariance" (LPI) genoemd. Het lijkt misschien niet zo belangrijk, maar het houdt in dat in een lift in vrije val de metingen van niet-gravitationele - niets met de zwaartekracht te maken hebbend - effecten onafhankelijk zijn van tijd en plaats. Dat, met andere woorden, de natuurwetten onafhankelijk zijn van tijd en plaats, en dat ze dus overal en altijd hetzelfde blijven. 

Dat lijkt logisch, en het is dan ook aannemelijk dat als water hier en nu bevriest bij nul graden Celsius, het dat gisteren ook deed, en morgen ook, en dat dat ook het geval is in Nederland, in China en op de Zuidpool. Maar als wetenschappers miljarden jaren willen teruggaan om uit te zoeken hoe de aarde ontstaan is, of als ze willen weten wat er over duizenden jaren zal gebeuren, dan is "aannemelijk" niet goed genoeg. Dan willen ze zekerheid dat de natuurwetten hetzelfde waren, zijn en blijven, en bovendien exact hetzelfde. 

Daarom zoeken ze, nu met de uiterst nauwkeurige atoomklokken, naar kleine barstjes in de theorie van Einstein, kleine afwijkingen. "Door met deze experimenten de grenzen van wat haalbaar is af te tasten, hopen we te ontdekken of de LPI niet een heel klein beetje geschonden wordt", zei Bijunath Patla in New Scientist. Patla is een natuurkundige aan het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de VS, en een van de drie auteurs van de studie over de atoomklokken.

"Terwijl de aarde als een lift valt in het zwaartekrachtveld van de zon, behouden atoomklokken gebaseerd op waterstof en cesium dezelfde synchroniciteit in hun "tikeigenschappen". Natuurkundigen van het NIST hebben dit fenomeen zonet beter gemeten dan ooit tevoren", zo luidt de tekst bij deze tekening van het NIST van Einstein die op een lift staat, waarin de aarde met de klokken zit. Illustratie: K. Rechin/NIST

De aarde als een lift

Voor hun experiment beschouwden de wetenschappers van het NIST de hele aarde als een lift die door het zwaartekrachtveld van de zon valt. En een van de eigenschappen van de voorwerpen in de lift die constant moet blijven tegenover elkaar, is de frequentie van de elektromagnetische straling van atoomklokken op verschillende plaatsen op de aarde. 

De onderzoekers vergeleken de vastgelegde data van twee verschillende types van atoomklok, verspreid over de wereld, om aan te tonen dat die synchroon bleven gedurende 450 miljoen seconden, meer dan 14 jaar, zelfs als de zwaartekracht die aan de "lift" trok, varieerde door de elliptische baan van de aarde om de zon. De zwaartekracht is immers omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand, en ze is dus sterker als de aarde dichter bij de zon staat dan wanneer ze er verder af staat. 

De onderzoekers vergeleken vier waterstofmasers in de Amerikaanse stad Boulder, waar het NIST gevestigd is, met acht van de meest nauwkeurige cesium-fonteinatoomklokken in de VS, het VK, Frankrijk, Duitsland en Italië. Waterstofmasers (microgolf-lasers) zijn atoomklokken die de spin van de elektronen van waterstofatomen gebruiken om een frequentie aan te geven, cesium-fonteinatoomklokken zijn gebaseerd op de trillingen van cesium, die zo nauwkeurig zijn dat een seconde nu gedefineerd wordt als 9.192.631.770 trillingen van een cesium-133-atoom.

Ze berekenden zo de waarde van een variabele die β genoemd wordt, en die aangeeft in hoeverre de klokken niet synchroon lopen. β moet gelijk zijn aan nul, anders zou dat betekenen dat de local position invariance (LPI) geschonden wordt, en dat Einstein ongelijk had. 

De onderzoekers kwamen uit op een waarde voor β, de schending van LPI, van (2.2 ± 2.5) × 10 tot de min 7e, of 0,00000022 plus of min 0,00000025. 

Dat is de laagste waarde die ooit gevonden is, en ze is consistent met de door de algemene relativiteit voorspelde waarde van 0. Dat komt dus overeen met geen schending van de LPI. Het betekent dat de verhouding tussen de frequenties van waterstof en cesium dezelfde is gebleven terwijl de klokken samen in de vallende lift zaten. 

Het resultaat heeft 5 keer minder onzekerheid dan het vorige beste resultaat van het NIST, wat zich vertaalt in een 5 keer hogere precisie. Het vorige resultaat uit 2007, van een vergelijking gedurende 7 jaar tussen cesium- en waterstofklokken, was zelf al 20 keer preciezer dan de vorige testen. 

FOCS1, een cesium-fonteinatoomklok in een laboratorium in Zwitserland.

Fundamentele constanten

Heeft dit nu ook een direct belang of heeft het NIST hier alleen maar eens willen tonen wat het kan? Er zit wel degelijk een praktische kant aan: omdat zoveel wetenschappelijke theorieën en berekeningen met elkaar verweven zijn, hebben onderzoekers van het NIST de nieuwe waarde voor de LPI-schending al gebruikt om variaties te berekenen in verschillende fundamentele constanten, natuurkundige grootheden waarvan gedacht wordt dat ze universeel zijn en die veel gebruikt worden in de fysica. 

Zo zijn hun resultaten voor de massa van lichte quarks - elementaire deeltjes - de beste die ooit bereikt zijn, en de resultaten voor de fijnstructuurconstante - een constante die de sterkte van de elektromagnetische interactie tussen geladen elementaire deeltjes bepaalt - komen overeen met eerder gemelde waarden voor elk paar van atomen.

Een deel van een 3-D kwantumgas atoomklok met drie paar laserstralen. Deze optische atoomklok op basis van strontiumatomen staat in het JILA-onderzoeksinstituut van het NIST en de University of Colorado Boulder. Edward Marti

Kan het nog nauwkeuriger?

"De vooruitgang bij deze metingen is te danken aan verbeteringen op verschillende gebieden, met name preciezere cesium-fonteinatoomklokken, betere processen voor het overbrengen van de tijd, wat toestellen op verschillende plaatsen toelaat om hun tijdssignalen te vergelijken, en de laatste nauwkeurige gegevens om de positie en de snelheid van de aarde in de ruimte te bepalen," zei Bijunath Patla in een mededeling van het NIST.

"Maar de belangrijkste reden waarom we dit werk gedaan hebben, was om de nadruk te leggen op hoe atoomklokken gebruikt worden om fundamentele fysica te testen, meer in het bijzonder de fundamenten van de algemene relativiteitstheorie", zei Patla. "Dit is de claim die het vaakst gemaakt wordt als klokmakers streven naar een grotere stabiliteit en nauwkeurigheid. We verbinden testen van de algemene relativiteit met atoomklokken, merken de beperkingen van de huidige generatie van klokken op, en stellen een vooruitzicht op over hoe de klokken van de volgende generatie zeer relevant zullen worden."

Volgens de onderzoekers is het inderdaad onwaarschijnlijk dat de grenzen voor de variabele β nog verder teruggedrongen kunnen worden met de huidige waterstof- en cesiumklokken. "De volgende stap is om optische klokken te gebruiken", zei Patla. "Die kijken naar optische frequenties en die zijn nog hoger dan die van cesium- en waterstofatoomklokken. Daardoor zijn ze nog gevoeliger voor veranderingen." En die hogere gevoeligheid kan veel preciezere resultaten opleveren. 

Het NIST heeft al een aantal van die experimentele optische klokken, gebaseerd op atomen zoals ytterbium en strontium, en ook in andere laboratoria, onder meer in de VS en Europa, wordt er onderzoek naar gedaan en worden er al prototypes gebruikt. Wordt dus ongetwijfeld nog vervolgd.

De studie van het NIST is verschenen in "Nature Physics".