Met atomen die zweven op laserlicht hebben onderzoekers de invloed van de zwaartekracht op aarde gemeten. Deze nieuwe meettechniek, waarbij de atomen met een bijzondere quantumtoestand op een plek in de lucht blijven hangen, is nauwkeuriger dan eerder gebruikte technieken.

Tot nu toe maten fysici het effect van de zwaartekracht op atomen door ze van enkele meters hoogte naar beneden te laten suizen. Bij de meeste van zulke experimenten vallen de deeltjes ongeveer 10 meter in ruim 2 seconden. Dat betekent dat de onderzoekers maar 2 seconden hebben om kleine zwaartekrachteffecten te meten.

Een Amerikaanse onderzoeksgroep heeft de meettijd nu weten op te schroeven tot 20 seconden. Dat deden ze door de atomen geen meters naar beneden laten vallen, maar ze midden in de lucht te laten zweven op laserlicht. Dat resulteerde in langere, nauwkeurigere metingen dan mogelijk is bij valexperimenten.

Met deze experimenten gaan fysici Einstein’s theorie van de zwaartekracht op atomair niveau testen. Daarnaast kunnen de extreem nauwkeurige zwaartekrachtmetingen kleine variaties in de zwaartekracht aantonen die veroorzaakt zijn door de omgeving. Hiermee kun je bijvoorbeeld meten of er ergens olie of gesteente onder het aardoppervlak zit. Olie heeft namelijk een andere dichtheid dan gesteente. Daardoor is de zwaartekracht die een stuk grond met olie uitoefent op atomen meetbaar anders.

Zweven op laserlicht

De Amerikaanse onderzoekers gooiden voor hun meting eerst een wolk van cesiumatomen de lucht in. Met gerichte flitsen laserlicht zorgden ze ervoor dat al die atomen in een zogeheten superpositie raakten. Dit is een quantumtoestand waarbij een atoom ‘op twee plekken tegelijkertijd is’. In dit geval zweefde de ene versie van een atoom een paar duizendste van een millimeter boven de andere versie. Daarna vingen de onderzoekers deze atomen in een kooi van laserlicht zodat ze gezamenlijk in de lucht bleven hangen.

De onderzoekers maten vervolgens de zwaartekracht die de atomen ervoeren terwijl het laserlicht ze op dezelfde plek in de lucht hield. Dat deden ze door te kijken hoe de twee versies van een cesiumatoom ten opzicht van elkaar bewegen. Dat verschil ontstaat doordat de versie van het atoom die zich dichter bij het aardoppervlak bevindt de zwaartekracht sterker voelt dan de hoger zwevende versie. De onderzoekers hebben laten zien dat dit piepkleine verschil tussen de twee superposities van hetzelfde deeltjes meetbaar is.

Langer meten

Doordat de meettijd in deze opstelling niet beperkt is door de afstand die de atomen vallen, kan er langer gemeten worden. Tijdens de eerste experimenten hielden de onderzoekers de cesiumatomen 20 seconden lang in superpositie gevangen in laserlicht. Voor dezelfde meettijd zou een vrije-val-toren van 500 meter hoog nodig zijn.

‘Het is een indrukwekkende meting’, zegt de niet bij het onderzoek betrokken MIT-wetenschapper Alan Jamison tegen ScienceNews. Hij is onder de indruk van de compacte opstelling die nauwkeurigere metingen mogelijk maakt. ‘De valexperimenten in een toren van 10 meter hoog zijn moeilijk af te schermen voor omgevingsfactoren zoals magnetische velden. De omgeving produceert die overal, bijvoorbeeld in alle elektronica in het gebouw. Werken in een kleiner volume maakt het gemakkelijker om die verstoringen van buitenaf te voorkomen.’

Atomen in superpositie worden tegen de zwaartekracht in gevangen gehouden in laserlicht. Beeld: Sarah Davis