De relativiteitstheorieën van Albert Einstein, gepubliceerd in het begin van de 20e eeuw, hebben de manier waarop we tijd begrijpen fundamenteel veranderd. Ze onthulden dat tijd niet absoluut is; in plaats daarvan kan het worden beïnvloed door beweging – met name klokken die snel bewegen of versnellen ervaren een fenomeen dat bekend staat als tijddilatatie, waarbij ze langzamer tikken dan stilstaande klokken. Hoewel dit effect is waargenomen bij relatief grote objecten, onderzoeken onderzoekers nu een nieuwe manier om het op ongelooflijk kleine schaal te testen met behulp van ultrakoude atomen en op licht gebaseerde structuren.
Het podium bepalen: tijddilatatie en ultrakoude natuurkunde
Tijdsdilatatie is niet alleen een theoretische curiositeit; het is een kerncomponent van de moderne natuurkunde en heeft praktische implicaties, zoals de werking van GPS-satellieten, die rekening moeten houden met relativistische effecten om nauwkeurig te kunnen functioneren. Het huidige inzicht is dat hoe sneller een object beweegt of hoe sterker de versnelling die het ervaart, hoe meer de tijd ervan vertraagt ten opzichte van een stilstaande waarnemer. Dit principe is ook van toepassing op cirkelvormige bewegingen, wat betekent dat bewegen in een cirkel ook tijdsdilatatie kan veroorzaken.
Om deze effecten op kwantumniveau te onderzoeken, maakt een team onder leiding van Vassilis Lembessis van de King Saud Universiteit gebruik van de kracht van ultrakoude natuurkunde. Bij temperaturen die slechts een fractie van een graad boven het absolute nulpunt liggen – een ongelooflijk lage temperatuur – worden de kwantumeigenschappen van atomen en moleculen veel beter beheersbaar. Door atomen en moleculen nauwkeurig te manipuleren met lasers en elektromagnetische velden kunnen wetenschappers de effecten van rotatie en versnelling in ongekend detail onderzoeken.
Het “optische reuzenrad” en kwantumklokken
In 2007 pionierden Lembessis en zijn medewerkers met een methode voor het vangen en roteren van atomen in de vorm van een cilinder met behulp van zorgvuldig afgestemde laserstralen. Ze noemden deze structuur speels een ‘optisch reuzenrad’, en hun laatste onderzoek suggereert dat deze kleine structuren een ideaal platform zouden kunnen bieden voor het observeren van relativistische tijdsdilatatie in het kwantumrijk.
Concreet stellen de onderzoekers voor om stikstofmoleculen als proefpersonen te gebruiken. Ze beschouwen de beweging van elektronen binnen deze moleculen als een interne ‘klok’. Door de moleculen te observeren die in het optische reuzenrad ronddraaien, hopen ze kleine verschuivingen in de ‘tikkende frequentie’ te detecteren – in wezen het effect van tijdsdilatatie. De potentiële nauwkeurigheid van deze metingen is verbazingwekkend: onderzoekers streven ernaar veranderingen zo klein als één deel op 10 biljard te detecteren.
Een nieuwe grens voor relativiteitstests
Hoewel het concept van het gebruik van optische reuzenraden overtuigend is, zijn experimenten met deze opstellingen tot nu toe relatief ongebruikelijk geweest. Dit nieuwe voorstel opent daarom de deur naar een nieuwe proeftuin voor relativiteit, waar voorheen onontdekte effecten naar voren kunnen komen. De kwantumaard van deze ultrakoude deeltjes zou zelfs de fundamentele ‘klokhypothese’ in twijfel kunnen trekken – de veronderstelling dat de versnelling van een object rechtstreeks de waargenomen tijd beïnvloedt.
‘Het is belangrijk om ons begrip van fysische verschijnselen in de natuur te controleren en te bevestigen’, legt Patrik Öhberg van de Heriot-Watt Universiteit uit. “Het is wanneer we een verrassing krijgen, iets onverwachts, dat we ons begrip moeten herzien en een dieper inzicht in het universum moeten krijgen.”
Voordelen en uitdagingen
Een van de belangrijkste voordelen van deze aanpak is dat er geen uitzonderlijk hoge snelheden nodig zijn, die doorgaans nodig zijn om relativistische effecten waar te nemen. Aidan Arnold van de Universiteit van Strathclyde merkt op: “Met de ongelooflijke nauwkeurigheid van atoomklokken… zou de tijdsverandering ‘gevoeld’ door de reuzenradatomen merkbaar moeten zijn.’ Bovendien zouden de korte afstanden die de atomen tijdens hun rotatie afleggen voldoende mogelijkheden bieden voor nauwkeurige metingen.
De gecontroleerde omgeving van het optische reuzenrad belooft nieuwe inzichten te onthullen in de wisselwerking tussen kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie.
Het onderzoek is niet zonder hindernissen. Een belangrijke technische uitdaging zal zijn om te voorkomen dat de atomen of moleculen opwarmen, wat hun gecontroleerde beweging zou verstoren en het experiment ongeldig zou maken. Wetenschappers zijn echter van mening dat de potentiële beloningen – een dieper begrip van de relativiteitstheorie op kwantumschaal – de inspanning rechtvaardigen. Door laserstralen zorgvuldig te controleren, kan de grootte van het reuzenrad en dus de rotatie van de atomen worden aangepast, waardoor het tijdsdilatatie-effect voor verschillende rotatiesnelheden kan worden getest.
Het potentieel van deze benadering ligt in het vermogen om de fundamenten van ons begrip van ruimte en tijd te testen, waardoor nieuwe inzichten in de fundamentele wetten van het universum worden onthuld.
