Woensdag 29/06/2022

NieuwsWetenschap

Gemeten met recordprecisie: zwaartekracht beïnvloedt het tikken van de tijd

Albert Einstein. Beeld h
Albert Einstein.Beeld h

Schuif een atoom een enkele millimeter dichter bij de aarde, en zijn tijd gaat trager lopen. Dat voorspelde Einstein al ruim een eeuw geleden en hebben fysici nu ultraprecies gemeten. De gebruikte methode kan mogelijk zelfs de belangrijkste resterende raadsels over zwaartekracht oplossen.

George van Hal

Als je de klok die de natuurkundigen gebruikten bij de geboorte van het heelal had aangezet, was hij nu – 13,8 miljard jaar later – hooguit 0,05 seconde afgeweken van de werkelijke waarde. Dankzij die extreem nauwkeurige meetmethode hebben fysici de invloed van de zwaartekracht kunnen meten op de passage van de tijd, zo beschrijven twee onderzoekersgroepen in het vakblad Nature.

Het is niet voor het eerst dat dat effect, in vakkringen bekend als ‘de gravitationele roodverschuiving’, is gemeten. Maar zo nauwkeurig als nu was dat nog niet gelukt.

Al in 1976 onthulden fysici in een experiment dat Albert Einstein gelijk had toen hij in zijn relativiteitstheorie voorspelde dat de tijd in de buurt van zware massa’s langzamer gaat lopen. Destijds deden ze dat met een hele nauwkeurige klok in een ruimteschip op 10.000 kilometer boven de aarde en eentje op de grond. Aan het eind van het experiment bleek de ruimteklok inderdaad iets sneller te hebben getikt dan die op het planeetoppervlak: een verschil van één seconde per 73 jaar.

Dat klinkt als weinig, maar is een effect waar onder meer gps-satellieten, die nog eens tweemaal hoger boven de aarde draaien, continu voor moeten compenseren. Doen ze dat niet, dan zou er van hun positiebepaling in bijvoorbeeld onze routeplanners weinig kloppen.

Atoomwolk in een laserstraal

De nauwkeurigste tijdsmeters die fysici vandaag kennen, zijn atoomklokken. Denk daarbij niet aan een wijzerplaat met een secondewijzer, maar aan een ‘klok’ die ‘tikt’ dankzij regelmatige veranderingen in de energietoestanden van atomen. Door twee van die atoomklokken vlak boven elkaar te zetten, konden natuurkundigen in 2010 de gravitationele roodverschuiving al meten over een afstand van één meter.

In deze opstelling, in een miniwolkje van strontium-atomen, gebeurde het: daar maten onderzoekers het meest nauwkeurig ooit de invloed van de zwaartekracht op de passage van de tijd. Beeld Jacobson/NIST
In deze opstelling, in een miniwolkje van strontium-atomen, gebeurde het: daar maten onderzoekers het meest nauwkeurig ooit de invloed van de zwaartekracht op de passage van de tijd.Beeld Jacobson/NIST

In de twee nieuwe experimenten zet men nu de overtreffende stap, door niet twee afzonderlijke opstellingen als klok te gebruiken maar door de tijd bij (groepen) atomen binnen één opstelling te vergelijken. Op die manier kregen fysici het voor elkaar het tijdsverschil te meten tussen de energie-overgangen in atomen die een enkele millimeter uit elkaar zaten, aan weerszijden van één enkele atoomwolk die was opgehangen in een laserstraal. In het tweede artikel beschrijft een andere onderzoeksgroep iets soortgelijks, maar dan tussen twee wolken atomen die een centimeter uit elkaar zaten.

“Prachtige resultaten”, oordeelt fysicus Florian Schreck (Universiteit van Amsterdam), die zelf ook onderzoek doet naar ultranauwkeurige atoomklokken. “Het hing al even in de lucht dat iemand dit zou doen. Dat zie je ook aan het feit dat twee onderzoeksgroepen dit nu tegelijk presteren, onafhankelijk van elkaar.”

De fysici willen hun techniek op termijn inzetten om nieuwe natuurkundige inzichten te vergaren, die allemaal samenhangen met de zwaartekracht. Zo hopen ze onder meer te onthullen hoe die kracht werkt op het allerkleinste deeltjesniveau – in de fysica een belangrijke open vraag – en willen ze, opnieuw via zwaartekrachtmetingen, de vorm van de aarde nog beter in kaart brengen.

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234