Zoeken
 


Einstein had gelijk: zwaartekracht vertraagt de tijd

Laatste wijziging: vrijdag 19 februari 2010 om 20:02, 1953 keer bekeken Print dit artikel Bekijk alle nieuws feeds van onze site
 
vrijdag 19 februari 2010

Door de zwaartekracht gaan klokken langzamer lopen. Deze voorspelling van Albert Einstein is in de jaren zeventig al eens bevestigd in proeven met raketten en vliegtuigen. Amerikaanse fysici doen het nu in hun laboratorium nog eens over. En een stuk exacter. Tienduizend keer zo exact, om precies te zijn.

Sinds Einstein is de tijd niet meer wat hij geweest was. De universele klok van Newton die onverstoorbaar de seconden wegtikte, is een illusie gebleken. In 1905 had het Duitse genie in zijn speciale relativiteitstheorie laten zien dat klokken die ten opzichte van elkaar bewegen, niet meer gelijk lopen. Tien jaar later deed hij daar nog een schepje bovenop. Massa kromt de ruimte, luidde de centrale gedachte van zijn algemene relativiteitstheorie, en vertraagt de tijd.

Hoge toren
Niet veel natuurlijk. In 1959 toonde de Amerikaan Robert Proud de vertraging voor het eerst experimenteel aan. Hij was op een twintig meter hoge toren geklommen (waar de aardse zwaartekracht een pietsie minder is dan op de grond) om een vertragingsfactor van een miljardste van een miljoenste te meten. Erg zeker was Proud niet: zijn metingen hadden een onzekerheidsmarge van 10 procent.

Dat ging in de jaren zeventig een stuk beter toen fysici atoomklokken met raketten de hoogte in stuurden en het tijdsverschil registreerden. Zij konden Einsteins voorspelling met een nauwkeurigheid van één op tienduizend bevestigen.

Amerikaanse fysici zetten nu in Nature een flinke stap vooruit, met een precisie van één op 100 miljoen. En daarvoor hoefden ze nauwelijks de hoogte in. Met een laser tilden ze atomen eentiende millimeter op. Daarbij maakten ze gebruik van die andere grote theorie uit de vorige eeuw, de kwantummechanica. Die schrijft voor dat atomen niet alleen deeltjes zijn, maar ook kunnen worden gezien als golven. En wel golven met een ultrakorte golflengte en een extreem hoge frequentie. Voor atomen duurt de tijdsvertraging een eeuwigheid, dus als je daarmee werkt, zie je zo’n klein tijdsverschil wel.

Kunstjes

Tenminste als je Steven Chu in de gelederen hebt. Hij is nu minister van energie onder president Obama, maar won in 1997 de Nobelprijs voor natuurkunde omdat hij er in was geslaagd atomen met behulp van laserlicht nagenoeg stil te zetten – optische koeling, in fysisch vakjargon. En dat is wel handig: als je atomen kunstjes wil laten uitvoeren, is het prettig als ze niet al te wild om zich heen springen.

Het was Chu’s vroegere collega aan de Universiteit van Berkeley, Holger Müller, die bedacht dat de optische gekoelde atomen ook geschikt konden zijn om Einsteins tijdsvertraging te testen. Müller en Chu koelden een miljoen cesiumatomen af tot een fractie boven het absolute nulpunt. Vervolgens beschoten ze het geheel zo met laserlicht dat de helft van de atomen eventjes een tiende millimeter werd opgetild. Voor deze atomen ging de tijd sneller lopen - omdat ze de zwaartekracht van de aarde iets minder voelden.

De opgetilde golven liepen daardoor uit fase met de andere golven. Dat betekende weer dat de twee golven een zogeheten interferentiepatroon te zien gaven en daaraan kon Müller aflezen hoe groot de tijdsvertraging was. 

TomTom

Omdat de golven zo’n hoge frequentie hadden, kon hij zeer kleine tijdsverschillen zien. Om daar een indruk van te geven. Het sprongetje van de atomen duurde nu drietiende seconde, terwijl de tijdsvertraging 20 biljoenste van een miljardste seconde bedroeg. Als je de duur van het sprongetje zou uitvergroten tot de leeftijd van het heelal (13,7 miljard jaar), komt het tijdsverschil dat Müller registreerde, overeen met één honderdste seconde, en dat met een precisie van 60 picoseconden (een seconde is gelijk aan een biljoen picoseconden).

Het lijkt allemaal natuurkunde met een hoog esoterisch gehalte, maar het praktisch nut is niet eens zo ver weg. Voor de TomTom bijvoorbeeld. “Als we de allerbeste klokken in de GPS-satellieten zouden gebruiken”, zegt Müller, “konden we posities op aarde op één millimeter bepalen. Deze klokken zijn tot op 17 cijfers nauwkeurig. Maar als de satelliet een meter omhoog komt, klopt het zestiende cijfer al niet meer. Vanwege de tijdsvertraging van Einstein.”

Joep Engels

Holger Müller, Achim Peters & Steven Chu, ’A precision measurement of the gravitational redshift
by the interference of matter waves’
, in Nature 18 februari 2010



Bron: noorderlicht.vpro.nl

Voeg toe aan: