Onderzoekers van diverse Europese instituten hebben nauwkeurige optische atoomklokken gebruikt om minieme zwaartekrachtverschillen te meten. De grootste opgave was om zo’n atoomklok verplaatsbaar te maken.
De fysica achter het meten van zwaartekrachtverschillen heeft te maken met de frequentie waarmee de atoomklok de tijd weergeeft: die verandert wanneer de klok met de variatie van de zwaartekracht. Dit wordt ook wel de Einstein verschuiving genoemd. Het effect is overigens miniem.
Het zwaartekrachtverschil is door een team van Europese onderzoekers gemeten door de ene atoomklok in de autotunnel van Fréjus te zetten die Frankrijk en Italië met elkaar verbindt. Die klok staat dan in een 1000 m hoger bergmassief dan de tweede atoomklok. Daarvoor werd die in het laboratorium van het Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica in Torino gebruikt, op een afstand van 90 km. De onderzoekers publiceerden over het meten van zwaartekrachtverschillen met atoomklokken in het tijdschrift Nature Physics.
Frequentieverschil
Om beide klokken met elkaar te kunnen vergelijken, zijn ze verbonden via een 150 km lange glasvezelkabel. Het frequentieverschil waarmee beide klokken werken, is vervolgens met een optische methode vastgesteld. Die frequentie van beide klokken bleek zo’n 50 Hz te verschillen, wat overeenkomt met het hoogteverschil van 1000 m van de aardmassa. Dat verschil van 50 Hz is gemeten met klokken die werken met een frequentie van rond de 500 maal 1012 Hz. Het gaat dus om een frequentieverschil in de orde van 10-13.
Er worden dan ook extreem hoge eisen gesteld aan de nauwkeurigheid van de meting. Nu is dat voor de gebruikte atoomklokken geen probleem; die hebben een nauwkeurigheid die beter is dan 10-17. Die nauwkeurigheid geldt voor atoomklokken die staan opgesteld in een laboratorium met speciale voorzieningen om trillingen en dergelijke te voorkomen.
Mobiele klok
Een van de huzarenstukjes die de onderzoekers leverden, is dat ze hun atoomklok mobiel hebben gemaakt. Die staat nu in een verplaatsbare container met de gevoelige apparatuur op trillingsdempers. De ruimte is geïsoleerd voor temperatuurschommelingen, de apparatuur wordt gekoeld tot minder dan 1 K (-272 °C). Uiteindelijk lukte het de onderzoekers de mobiele klok te laten werken met een nauwkeurigheid van rond de 10-15.
Om werking van de beide atoomklokken te controleren, werd hun tijdregistratie vergeleken met die van twee andere typen atoomklokken van het instituut in Torino. Het gemeten verschil in de zwaartekracht werd bovendien gecontroleerd door traditionele zwaartekrachtmetingen.
Wanneer het de onderzoekers lukt de nauwkeurigheid van de mobiele klok verder te vergroten tot 10-17, zouden ze uiteindelijk hoogteverschillen in aardmassa van decimeters kunnen meten.
Het voordeel van het meten met twee atoomklokken is dat zo heel nauwkeurig het hoogteverschil is te bepalen tussen twee locaties die op afstand van elkaar liggen. Bij traditionele hoogtemeting kan het overbruggen van die afstand leiden tot meetfouten.
Openingsfoto: een van de atoomklokken van het Italiaanse instituut INRIM.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.