Een klok van licht

Een optische klok, opgebouwd uit lasers, lenzen en spiegels, loopt zo nauwkeurig dat hij in vijftig miljoen jaar nog geen seconde fout zit.

EEN WIRWAR van lenzen en groen oplichtende spiegels op een stevige optische tafel, ergens in een laboratorium in Boulder (Colorado), is de nauwkeurigste klok ter wereld. Over een periode van ruim vijftig miljoen jaar loopt hij één seconde achter. Deze optische klok is het voorlopige hoogtepunt van een razendsnelle ontwikkeling die zich de afgelopen vijf jaar heeft voltrokken. De opvolger van de atoomklok komt eraan.

Vorige maand schreef Science (19 november) dat er nog geen toepassingen voor dit soort ultra-nauwkeurige klokken zijn, maar dat is niets nieuws. Toen in de jaren vijftig de eerste atoomklokken zich aandienden, leken die ook vooral een speeltje voor fysici. Dat is bij de optische klok niet anders: handenwrijvend staan experimentatoren klaar om grote theorieën als het Standaardmodel van de elementaire deeltjes en de Relativiteitstheorie aan nóg strengere tests te onderwerpen. Vijftig jaar geleden kon niemand bevroeden dat atoomklokken zo snel tot het dagelijks leven zouden doordringen: aan boord van satellieten synchroniseren ze nu onze communicatie via telefoon en internet en stellen ze ons in staat overal ter wereld precies te lokaliseren waar we zitten via een GPS-ontvanger.

Een willekeurige klok bestaat uit twee delen: iets wat `tikt' en iets anders wat de tikken telt. De uitvoering kan heel eenvoudig zijn. Van Galileï is bekend dat hij zijn bewegingsproeven deed aan de hand van de eigen hartslag. Christiaan Huygens ging in zijn uurwerk uit van de regelmatige beweging van een slinger en bracht die via een stelsel van radertjes over op twee wijzers. Weer een stap nauwkeuriger zijn de voor het oog onzichtbare trillingen van een kwartskristal. Als je die elektronisch meet en weergeeft, zit je per dag hoogstens een duizendste seconde fout. Voor dagelijks gebruik is dat prachtig, maar in veel gevallen toch nog te onnauwkeurig.

atoomklok

Vandaar de populariteit van de atoomklok, geïntroduceerd in de jaren vijftig en nog altijd de standaard. In zo'n atoomklok (meestal op basis van het element cesium) trilt of beweegt er helemaal niets meer. Cesium-133 atomen absorberen allemaal microgolfstraling met een frequentie van precies 9.192.631.770 trillingen per seconde. Op deze externe standaard berust de werking van de atoomklok. Al snel na zijn introductie groeide de seconde uit tot de nauwkeurigste eenheid die we hebben. Voor GPS-satellieten – die het precieze tijdstip van binnenkomst van aardse moeten vaststellen om geen fouten te maken in de bepaling van de locatie – voldoet de atoomklok prima. Afkoelen van de cesiumatomen (via lasers) heeft de nauwkeurigheid nog meer vergroot. En om het verstorende effect van een variabele zwaartekracht uit te schakelen, zal de Franse Pharao-atoomklok volgend jaar zelfs in het International Space Station worden getest.

Maar volgens Scott Diddams van het National Institute of Standards and Technology (NIST) in Boulder is dat helemaal niet nodig. Zijn team heeft de afgelopen vijf jaar gewerkt aan de opvolger van de atoomklok, eentje die geheel gebaseerd is op licht. Diddams: ``De frequentie van licht ligt een factor honderdduizend hoger dan die van microgolven. Dus kun je de tijd in kleinere mootjes hakken en krijg je een hogere nauwkeurigheid. Probleem is alleen dat er tot voor kort geen enkel elektronisch apparaat bestond dat zulke extreem hoge frequenties kon meten.''

Het was Thomas Udem van het Max Planck Instituut in Garching bij München die daar een oplossing voor bedacht. Hij nam een laser die ultrakorte lichtflitsjes maakt, elk niet langer dan een paar femtoseconden (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde). In die situatie gaat licht zich anders gedragen dan normaal. Dat heeft alles te maken met de beroemde onzekerheidsrelatie van Heisenberg: hoe korter de lichtpuls duurt, des te groter de onbepaaldheid van de energie van het uitgezonden licht, en daarmee dus ook van de kleur. Waar een gewone, continue laser licht één, nauwkeurig bepaalde kleur produceert – typisch kenmerk van een laser – bevat elke flits van zo'n pulslaser letterlijk alle kleuren van de regenboog. Toch zijn binnen dat brede kleurenspectrum niet alle frequenties toegestaan. Alleen die kleuren waarvan de golflengte precies past tussen de (evenwijdige) spiegels van de laser worden versterkt, alle andere doven uit (interferentie). De laser produceert aldus honderdduizenden verschillende laserlijntjes van het infrarood tot aan het ultraviolet. Al die lijntjes liggen in frequentie precies even ver van elkaar af: ze vormen samen een optische liniaal met maatstreepjes.

Met behulp van zo'n verfijnde kleurenstaal is het mogelijk een onbekende frequentie – zoals de absorptielijn van een atoom – uiterst nauwkeurig te bepalen. Dat lieten Diddams en Udem in 2001 zien toen ze gezamenlijk de eerste optische klok presenteerden: één enkel geladen kwikatoom dat groen laserlicht absorbeert van een specifieke kleur. Om de frequentie daarvan te kunnen bepalen, verschoven ze de optische liniaal totdat één van de maatstreepjes precies samenviel met de groene absorptielijn. Het aflezen van de frequentie kwam neer op streepjes tellen. De nauwkeurigheid waarmee die frequentie kon worden gemeten – en daarmee de nauwkeurigheid van de optische klok – was een factor tien beter dan die van de beste atoomklokken. En de verwachting is dat het nog eens een factor tien beter kan.

ruimtevaart

Optische klokken zullen dezelfde toepassingen krijgen als de atoomklokken nu, zij het op veel grotere afstandschalen. De optische klok van Diddams zou op tientallen miljoenen kilometers de positie van een ruimtevaartuig tot op de micrometer kunnen vastleggen.

Nu al proberen fysici met behulp van de optische klok de quantummechanica te beproeven. Zo voorspelt het Standaardmodel dat materie en antimaterie zich precies hetzelfde gedragen. De nauwkeurige standaard die de optische klok biedt maakt het mogelijk die hypothese te toetsen aan de hand van metingen aan waterstof en antiwaterstof (opgebouwd uit een antiproton en een positron). Ook zijn er speculaties dat sommige natuurconstanten, zoals de lichtsnelheid en de massa van het elektron, in de loop van de tijd veranderen en de optische klok zou die moeten zien. Diddams: ``In drie jaar tijd heeft onze optische klok geen afwijkingen opgeleverd ten opzichte van de beste cesiumatoomklokken. Dus zijn de natuurconstanten tot op een nauwkeurigheid van 1 op 1.000.000.000.000.000 per jaar constant. En bij langer meten wellicht nog constanter.''