Atoomklok loopt eindelijk gelijk

Een nieuwe techniek kan de tijd nu nog nauwkeuriger meten. Moet de seconde nu opnieuw worden gedefinieerd?

In de VS is een techniek ontwikkeld die tijd kan meten met een nauwkeurigheid van een seconde op 3,7 miljard jaar. Dat is bijna de ouderdom van de Aarde. Het onderzoek is gedaan aan het National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado.

De gangbare cesiumklokken waarop de internationale standaard van de tijd is gebaseerd, lopen één seconde in de 100 miljoen jaar voor of achter. De definitie van de seconde is sinds 1967: de tijd waarin 9.192.631.770 trillingen plaatsvinden in microgolfstraling uitgezonden door het atoom cesium-133.

De klokken die hierop gebaseerd zijn, werken als volgt. Een bundel radiogolven met ongeveer de juiste frequentie (dus het juiste aantal trillingen per seconde) bestraalt een wolkje cesiumatomen, terwijl de frequentie steeds wat wordt gevarieerd.

De frequentie waarbij de meeste cesiumatomen de radiostralen absorberen is de juiste. Na 9.192.631.770 van de bijbehorende trillingen is er één seconde voorbij.

Zo wordt een minder nauwkeurige klok, de radiozender, voortdurend gestuurd – gelijkgezet in feite – door de meer nauwkeurige standaard. De laatste ontwikkeling van de cesiumklok was de koeling van de wolk cesiumatomen tot vlakbij het absolute nulpunt: min 273 graden. Dit gebeurt door ze van alle kanten met laserlicht te beschijnen, waardoor de bewegingen van de atomen worden stilgelegd. De cruciale frequentie is dan des te preciezer te vinden.

Bij de nieuwe techniek uit Boulder worden oscillaties van aluminium gebruikt in plaats van die van cesium. Die blijken nog scherper bepaald te zijn. Er wordt geen radiostraling gebruikt om de juiste frequentie op te zoeken maar laserlicht. Ook hier wordt extreme koeling met laser toegepast om de nauwkeurigheid zo ver mogelijk op te voeren.

Paradoxaal is dat de precisie van zo’n nieuwe klok niet precies valt te meten. Je zou willen zeggen hoe vaak de nieuwe klok tikt per seconde, maar de seconde is gedefinieerd aan de hand van een minder nauwkeurige klok! Het enige wat erop zit is de seconde opnieuw definiëren aan de hand van de nieuwe klok, of een nog betere. Maar daarvoor is het te vroeg volgens Marc Pieksma, wetenschappelijk programmamanager van VSL, het nationale standaardeninstituut. „Je moet dan verschillende labs hebben met zulke klokken, die onderling verbonden zijn om de klokken te vergelijken. Maar de optische kabels zijn niet goed genoeg om een signaal van deze kwaliteit zonder verlies te transporteren.”

Heeft al die precisie praktische waarde? Volgens Pieksma wel: „Satellietnavigatie werkt door tijden te meten. Kan dat nauwkeuriger, dan kun je posities beter bepalen, tot op centimeters of millimeters. En in de wetenschap kun je met betere tijdmeting onderzoeken of natuurconstanten als de lichtsnelheid zelf misschien met de tijd veranderen.”

Herbert Blankesteijn