Het quantummechanische verschijnsel superpositie kan invloed hebben op de tijdswaarneming van extreem nauwkeurige klokken. Dat tonen twee Amerikaanse theoretici aan door Einsteins relativiteitstheorie te combineren met de wetten van de quantummechanica.
Superpositie is de eigenschap van deeltjes om in meerdere toestanden te zijn. Een atoom of elektron kan bijvoorbeeld op twee plekken tegelijk zijn. Zodra je gaat meten, verwoest je deze superpositie en zie je het atoom op slechts een van die twee plekken. Het bekendste voorbeeld is Schrödingers kat: die is tegelijkertijd levend en dood, tot je ernaar kijkt. Dit gekke quantummechanische gedrag is iets waar fysici rekening mee moeten houden als ze werken met kleine deeltjes, zoals elektronen of atomen.
Tweelingparadox
Daarnaast is er Einsteins relativiteitstheorie. Die beschrijft onder andere dat je tijdswaarneming afhangt van de snelheid waarmee je reist. Dit demonstreerde Paul Langevin in het beroemde gedachte-experiment van de tweelingparadox. Daarin wordt een tweeling beschreven waarvan de ene helft met bijna de lichtsnelheid een rondreis door de ruimte maakt terwijl de andere helft op aarde blijft. Wanneer de reiziger terugkeert op aarde, zal die jonger zijn dan de achterblijver.
Dit leeftijdsverschil volgt uit Einsteins speciale relativiteitstheorie: hoe sneller iemand gaat, hoe trager de tijd voor diegene lijkt te verlopen. Stop je een klok in een razendsnelle raket, dan zal deze langzamer tikken dan een klok die stilstaat. Dit effect heet tijddilatatie.
De twee theoretici vroegen zich af wat er gebeurt als je die tijddilatatie combineert met de superpositie uit de quantummechanica. Dat quantumeffect vertelt je namelijk dat een atoom tegelijkertijd met twee snelheden kan reizen. Als je dat combineert met tijddilatatie, dan ervaart het atoom tegelijkertijd twee verschillende tijdswaarnemingen.
‘Wij vroegen ons af hoe laat het volgens dat atoom zou zijn’, mailt Alexander Smith van Saint Anselm College en Dartmouth College. ‘Die vraag leidde tot het idee van quantumtijddilatatie.’
Piepklein atoomklokje
Dit lijkt misschien een gekke vraag. Een atoom draagt immers geen horloge. Toch kunnen sommige atomen functioneren als piepkleine klokjes.
Een atoom kan namelijk van zijn grondtoestand overgaan op een zogeheten ‘aangeslagen toestand’. Dit gebeurt als een van de elektronen die om de atoomkern heen draait extra energie krijgt doordat er licht op schijnt. Het elektron draait dan in een energetisch hogere baan om de atoomkern. Na een bepaalde tijd, die specifiek is voor het atoom, raakt het elektron die energie weer kwijt en valt het terug naar de grondtoestand. ‘De tijd die dit proces in beslag neemt, staat bekend als de levensduur van de aangeslagen toestand en geeft een karakteristieke tijd die als klok kan worden gebruikt’, vertelt Mehdi Ahmadi van Santa Clara University.
Als een atoom in een superpositie van twee snelheden is, dan beïnvloedt dat de levensduur van de aangeslagen toestand. Het is alsof het atoom in de ene snelheidstoestand sneller oud wordt dan in de andere, waardoor het elektron in de ene snelheidstoestand sneller terugvalt dan in de andere.
De twee theoretici toonden aan dat deze quantumtijddilatatie in theorie kan plaatsvinden, maar dat het effect erg klein is. ‘We hopen dat het mogelijk is om het experimenteel te testen’, mailt Smith. ‘Maar zowel het creëren van de superpositie die nodig is als het meten van het bijbehorende effect op de levensduur van een atoom is een experimentele uitdaging.’
