Klokken tikken 14 jaar om voorspelling van Einstein te testen

Met twaalf uiterst nauwkeurige klokken hebben Amerikaanse onderzoekers een voorspelling van Einstein getest. Na 14 jaar tikken blijkt dat Einstein waarschijnlijk gelijk had toen hij voorstelde dat natuurwetten onafhankelijk zijn van plaats en tijd.

‘Terwijl de aarde als een lift valt in het zwaartekrachtveld van de aarde, blijven atoomklokken, gebaseerd op waterstof en cesium, synchroon tikken. NIST onderzoekers hebben dit fenomeen beter dan ooit gemeten.’ Bron: K. Rechin/NIST

De onderzoekers gebruiken twaalf atoomklokken op verschillende plekken op aarde: de Verenigde Staten, Frankrijk, Duitsland, Italië en Engeland. De onderzoekers hadden een lange adem. Ze lieten de klokken 450 miljoen seconden (ruim 14 jaar) tikken om genoeg meetgegevens te verzamelen.

Natuurwetten

Met deze klokken hebben de onderzoekers aangetoond dat natuurwetten waarschijnlijk onafhankelijk zijn van plaats en tijd. Dit wordt de Local Position Invariance (LPI) genoemd.

Dat lijkt logisch. Het is aannemelijk dat als water bij 0 graden Celsius bevriest, dat het dat morgen ook doet. En dat dat in Duitsland of Frankrijk ook gebeurt. Maar  als wetenschappers willen berekenen hoe de aarde ontstond of wat ons over duizenden jaren te wachten staat, dan is ‘aannemelijk’ niet genoeg. Dan willen ze zeker weten dat de natuurwetten hetzelfde waren, zijn en blijven.

De onderzoekers zoeken daarom met hun uiterst nauwkeurige klokken naar piepkleine scheurtjes in de theorie van Einstein. ‘Door met deze experimenten de grenzen van wat haalbaar is op te zoeken, hopen we te ontdekken of de LPI niet een heel klein beetje geschonden wordt’, zegt Bijunath Patla van National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten.

Tikken van de klok

De onderzoekers hielden hiervoor het tikken van twaalf klokken in de gaten. Vier daarvan waren waterstofmasers, waarbij de spin (een quantumeigenschap die elementaire deeltjes en atoomkernen hebben) van de elektronen van waterstofatomen gebruikt wordt om een frequentie aan te geven. De overige acht atoomklokken waren gebaseerd op cesium. De trillingen van cesium zijn zo nauwkeurig dat de seconde gedefinieerd is als 9.192.631.770 trillingen van een cesium-133-atoom.

Voor hun experiment beschreven de onderzoekers de aarde als een lift (oftewel een gesloten systeem) in vrije val om de zon. Ze keken of de twaalf klokken, verspreid over de wereld, veertien jaar lang synchroon bleven lopen. Terwijl de zwaartekracht die aan deze lift trok, veranderde tijdens de elliptische baan om de zon.

LEESTIP: In het Pocket Science-deel Ruimtetijd vertelt Yannick Fritschy op toegankelijke wijze hoe Einstein ruimte en tijd bijeenbracht. Tijdelijk voor maar €7,50Bestel het boek in onze webshop

Zo maten de onderzoekers de waarde van een variabele genaamd β, die aangeeft in hoeverre de klokken niet synchroon lopen. Dat zou namelijk betekenen dat LPI geschonden wordt.

Ze vonden dat β = 0,00000022 plus of min 0,00000025. Dat maakt het de meest nauwkeurige meting van de waarde van β tot nu toe. En het resultaat komt goed overeen met Einsteins voorspelling dat β gelijk is aan 0. Het lijkt er dus op dat LPI ongeschonden uit deze test komt.

Maar de onderzoekers zijn nog niet klaar. ‘De volgende stap is om optische klokken te gebruiken’, zegt Patla. ‘Die kijken naar optische frequenties. Die zijn nog hoger dan die van atoomklokken waardoor ze nog gevoeliger zijn voor veranderingen.’

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Over de auteur

Dorine Schenk

Dorine Schenk is freelance wetenschapsjournalist voor o.a. NRC en New Scientist. Ze studeerde (astro-)deeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam. Daarnaast houdt ze van hardlopen. Volg haar op Twitter via @dorineschenk.



Plaats een reactie