Aftellen naar de meest nauwkeurige klok ooit: ‘Mogelijk zullen we aardbevingen en vulkaanuitbarstingen kunnen voorspellen’

Wetenschappers staan dicht bij de ontwikkeling van een klok die nóg preciezer is dan de atoomklok. Een klok die ons anders zal doen nadenken over tijd en ruimte. ‘De huidige definitie van de seconde moet op de schop.’

Ultraprecieze klokken vormen de ruggengraat van veel technologieën die we vandaag niet meer willen missen. Ze sturen onder meer satellietnavigatiesystemen aan, synchroniseren online netwerken en zorgen dat vliegverkeer en ruimtereizen mogelijk zijn.

De standaardklok is sinds 1955 de atoomklok. Om een idee te geven van hoe nauwkeurig die klok is: ze wijkt slechts 1 seconde af in 300 miljoen jaar. Vandaag staan wetenschappers dicht bij de ontwikkeling van een nóg preciezere klok, de kernklok. ‘We voorspellen dat de kernklok slechts een twintigste van een seconde zal afwijken op 13,8 miljard jaar, dat is sinds de oerknal’, verklaart kernfysicus Piet Van Duppen (KU Leuven).

Van atoomklok naar kernklok

Tijdmeting is het opmeten van hoe vaak zich iets herhaalt binnen een bepaalde tijdspanne. Denk maar aan het getik van een slingerklok of het getril van een kwartskristal in een horloge. De atoomklok maakt gebruik van de energiesprongetjes, welbepaalde trillingen, van elektronen in een atoom, meestal cesium-133.

‘Een atoom bestaat uit een atoomkern met protonen en neutronen waarrond elektronen vliegen’, legt professor Van Duppen uit. ‘Via bestraling met microgolven worden die elektronen naar een hogere energiebaan gebracht. Als de frequentie van zo’n microgolf precies overeenkomt met het verschil tussen twee energieniveaus, krijg je een signaal waarmee het tikken van de tijd wordt bepaald. Zo trilt het atoom cesium-133 maar liefst 9.192.631.770 keer in een seconde of met een frequentie van 9,19 gigahertz. Dat is meteen de definitie van een seconde.’

‘De elektronen vliegen op zeer grote afstand van de de atoomkern en dat maakt de atoomklok erg gevoelig voor elektromagnetische velden’, vervolgt Van Duppen. ‘Om het plastisch uit te drukken: als de atoomkern de grootte van een knikker heeft en je legt die op de middenstip van een voetbalstadion, dan vliegen de elektronen rond in de tribunes. Dat maakt dat sommige atoomklokken in de wereld ietsje achter- of voorlopen.’

De kernklok is veel minder onderhevig aan die externe velden omdat ze gebruikmaakt van energiesprongetjes of trillingen van de protonen en neutronen bínnen de atoomkern, wat een stabielere klok oplevert.

Maar een kernklok maak je niet zomaar. Om een atoomkern te laten trillen, is normaal gezien ontzettend veel energie nodig. ‘In de verzameling van ongeveer 3000 atoomkernen die we kennen, vinden we er maar één die met relatief weinig energie, namelijk de straling die in de buurt ligt van het zichtbare licht, naar een hogere energietoestand kan worden gebracht. Dat is thorium-229, een radioactief isotoop van het element thorium, dat als restproduct ontstond tijdens het wapenprogramma met uranium.’

Pas in 2016 werd het bestaan van deze de uitzonderlijke trillingsvorm van thorium-229 bevestigd. Daarvoor was er enkel een vermoeden. ‘Vorig jaar slaagden Duitse wetenschappers erin om met laserlicht een thorium-229 atoomkern naar een hogere energietoestand te brengen. Alle ingrediënten voor de ontwikkeling van de kernklok liggen nu op tafel’, glundert Van Duppen, die zelf verantwoordelijk is voor één van die ingrediënten. In het Europees deeltjeslabo CERN in Genève ontdekten hij en zijn team hoeveel energie er precies nodig is om thorium-229 te doen trillen. Het was een van de laatste puzzelstukjes.

‘Het Duitse experiment is ondertussen door Amerikaanse onderzoekers verfijnd waardoor binnen afzienbare tijd werkende kernklokken in labo’s zullen opduiken’, voorspelt Van Duppen. ‘Mogelijk van de grootte van een chip, veel kleiner dan de precieze atoomklokken die nu een half lab in beslag nemen.’

Aardbevingen, niet langer een verrassing

Hoewel prototypes van de kernklok volop in de maak zijn, is de thoriumklok op bredere schaal nog toekomstmuziek. Eens actief, zullen we onomwonden kunnen spreken van een revolutie.

Ten eerste zal ze een nieuw licht op de tijd werpen. ‘Omdat een kernklok werkt met trillingen van licht, die honderdduizend keren sneller zijn dan de trillingen van microgolven, zal de seconde moeten worden geherdefinieerd’, merkt Van Duppen op. Maar maak u geen zorgen: de seconde zal niet langer of korter duren, maar wel nauwkeuriger worden beschreven. Zo zou de thoriumatoomkern in plaats van 9 miljard keer, maar liefst 1 biljard of meer keer per seconde kunnen trillen.

Zo’n nauwkeurige definitie van de seconde zal leiden tot innovaties die onze levens zullen verbeteren. We zullen nóg meer data per seconde via het internet kunnen versturen en onze locatie nóg beter kunnen bepalen.

Van Duppen: ‘Het gps-systeem is gebaseerd op tijdsmeting. Hoe preciezer die is, hoe nauwkeuriger de plaatsbepaling op aarde. Vandaag kunnen we onze locatie bepalen tot op enkele centimeters, in de toekomst tot op enkele millimeters.’

Verder is het niet ondenkbaar dat de dreiging van een aardbeving in de toekomst via een pushmelding op onze telefoon verschijnt. Van Duppen gelooft erin. ‘Dankzij de relativiteitstheorie van Einstein weten we dat klokken anders lopen naargelang de zwaartekracht. Als ik mijn bril een millimetertje hoger zet, is de gravitatiekracht iets anders. Ook minuscule tektonische bewegingen in de aardkorst hebben een impact op de zwaartekracht. Kernklokken kunnen deze minieme verplaatsingen waarnemen en zo misschien vulkaanuitbarstingen of aardbevingen voorspellen.’

‘Zulke potentiële toepassingen van de kernklok liggen voor de hand, maar misschien leidt het ook tot iets waar we vandaag nog helemaal niet aan denken’, glimlacht Van Duppen. ‘Vele uitvindingen uit het verleden zijn het resultaat van jarenlang fundamenteel onderzoek dat niet gericht is op een onmiddellijke toepassing.’

Wat als Einstein zich vergist heeft?

Naast gps-onderzoek en gravitatiemetingen wordt Van Duppen als fysicus vooral enthousiast bij wat de kernklok zou kunnen betekenen voor ons begrip van het universum.

‘Het standaardmodel van de fysica zegt dat er bepaalde natuurconstanten onveranderlijk zijn. Soms zijn dit arbitrair gekozen getallen, waarvan niemand exact weet waar ze vandaan komen. Wat als die constanten niet constant zijn in tijd? Een atoomklok en een kernklok zijn op een verschillende manier gevoelig voor sommige natuurconstanten. Als we een nauwkeurige atoomklok laten lopen naast een precieze kernklok en de twee tikken op een bepaald moment niet meer gelijk, hebben we mogelijk aanwijzingen dat de constanten veranderlijk zijn. Dan staan we aan de vooravond van een nieuwe fysica’, besluit Van Duppen.