Met het overschakelen op de zomertijd hebben we weer veel klokken tot op de minuut op elkaar afgestemd. Maar je hebt altijd baas boven baas: natuurkundigen hebben drie klokken tot op achttien cijfers achter de komma met elkaar vergeleken. Dat brengt ons een stap dichter bij een nieuwe definitie van de seconde.
Eeuwenlang was de seconde gedefinieerd als een 60e van een 60e van een 24e van een dag. Maar omdat de aarde niet altijd precies even lang over zijn pirouetjes doet, is die definitie tegenwoordig niet nauwkeurig genoeg meer.
Atomen gedragen zich een stuk regelmatiger dan de aarde. Daarom is een seconde sinds 1967 gelijk aan de duur van een vast aantal ‘tikken’ van een cesiumatoomklok. Die tikken ontstaan doordat het cesiumatoom tussen twee energieniveaus heen en weer springt. De snelheid van de tikken hangt af van de frequentie van het licht dat bij zo’n overgang wordt opgenomen of uitgestoten.
Optische atoomklok
Cesiumatoomklokken tikken per seconde precies 9.192.631.770 keer. Dat lijkt misschien veel, maar er zijn atoomklokken die nog veel sneller tikken. Deze zogeheten optische atoomklokken verdelen de seconde dus in nog meer stukjes. Daardoor zijn deze klokken nauwkeuriger dan atoomklokken gebaseerd op cesium; momenteel ongeveer honderd keer zo nauwkeurig.
Hoe nauwkeurig is dat? Nou, als je vanaf de oerknal twee van de beste optische atoomklokken had laten lopen, hadden die nu – 13,8 miljard jaar later – hooguit één seconde van elkaar verschild. Zo nauwkeurig dus.
Welke is de beste?
Vanwege deze precisie zouden natuurkundigen graag de duur van een seconde voortaan afstemmen op optische atoomklokken. Maar momenteel is nog onduidelijk welke optische atoomklok de beste is. Bovendien moet je, als je er één als standaard hebt uitgekozen, je andere atoomklokken daarop kunnen afstemmen.
Om deze keus en afstemming mogelijk te maken, moet je verschillende optische atoomklokken met elkaar kunnen vergelijken. Tot nu toe waren dit soort vergelijkingen echter een stuk minder nauwkeurig dan de klokken zelf.
Driekloksvergelijking
Onderzoekers van het Amerikaanse atoomklokconsortium BACON hebben nu een spektaculaire stap gezet op dit gebied. Ze vergeleken voor het eerst drie verschillende optische atoomklokken met elkaar; gebaseerd op de atomen aluminium, strontium en ytterbium.
De driekloksvergelijking was tot op achttien cijfers achter de komma nauwkeurig. Dat komt volgens de onderzoekers overeen met het tot op de nanometer nauwkeurig bepalen van de afstand tussen de aarde en de maan. Het is tien keer zo accuraat als eerdere vergelijkingen tussen twee verschillende atoomklokken. De nauwkeurigheid is weliswaar nog altijd lager dan die van de klokken zelf, maar beide waarden zitten nu wel in dezelfde orde van grootte.
Door de lucht
Het vergelijken van optische atoomklokken is een hele klus. Je kunt ze niet zoals twee horloges simpelweg naast elkaar leggen. Ook kun je niet van allebei afzonderlijk de frequentie bepalen en die vervolgens vergelijken. Een frequentie geef je immers weer in termen van een bepaald aantal tikken per seconde. En de seconde zelf is gedefinieerd aan de hand van een minder nauwkeurige atoomklok.
De drie onderzochte klokken bevinden zich in twee laboratoria in Boulder; de strontiumklok op 1,5 kilometer afstand van de andere twee klokken. Om de verhouding tussen hun frequenties te bepalen, moesten de natuurkundigen ze rechtstreeks met elkaar verbinden. Dat deden ze zowel via optische vezels onder de grond als via laserpulsen door de lucht.
Dat laatste was een primeur: nog nooit eerder zijn atoomklokken rechtstreeks door de lucht met elkaar verbonden. De twee methodes bleken bovendien een even nauwkeurige vergelijking op te leveren, behalve toen de luchtverbinding tijdens een sneeuwstorm even plat lag.
Nog niet vastpinnen
Natuurkundige Florian Schreck van de Universiteit van Amsterdam werkt met zijn team aan een nieuw soort optische atoomklok, die mogelijk compacter en robuuster is dan de huidige klokken. Hij noemt het resultaat van zijn Amerikaanse vakgenoten ‘een indrukwekkende en een noodzakelijke stap voorwaarts’. ‘Het is heel bijzonder hoeveel vooruitgang ze hebben geboekt ten opzichte van eerdere metingen’, zegt hij.
Toch gaat het volgens Schreck nog wel zo’n 300 miljoen seconden (tien jaar) duren voor we een nieuwe definitie van de seconde hebben. ‘Optische atoomklokken worden elk decennium zo’n tien keer beter. Als we de seconde te snel vastpinnen aan één klok, kan dat de ontwikkeling van andere optische klokken afremmen, terwijl die uiteindelijk wellicht beter zullen zijn.’
Donkere materie
Gelukkig is het BACON-resultaat op andere vlakken nu al van waarde. Volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie hangt de precieze frequentie waarmee een atoomklok tikt af van de hoogte waarop die zich bevindt. Als je verschillende atoomklokken door de lucht met elkaar verbindt, kun je daarmee het hoogteverschil tussen de klokken in de gaten houden. Een atoomkloknetwerk kan dus van pas komen om bijvoorbeeld op verschillende plekken de hoogte van de zeespiegel tot op enkele centimeters nauwkeurig in de gaten te houden.
Daarnaast is er nog een onverwachte toepassing: de klokvergelijking geeft inzicht in donkere materie, het mysterieuze onzichtbare spul waar het heelal volgens natuurkundigen vol mee zit. Volgens de meeste theorieën is er geen elektromagnetische wisselwerking tussen atomen en donkeremateriedeeltjes. Maar als die wisselwerking er toch wel is, zou die kleine afwijkingen veroorzaken in de frequentie van atoomklokken.
De Amerikanen vonden geen bewijs voor zulke afwijkingen. Dat versterkt het vermoeden dat donkere materie op elektromagnetisch vlak de alledaagse atomen nog geen seconde aandacht schenkt.
