Tijden veranderen

De vraag die Jun Ye het vaakst wordt gesteld, luidt: waarom zou je de meest nauwkeurige klok ter wereld willen maken? Voor velen van ons, voor mensen die leven bij de dag of bij het uur of, als we geluk hebben, bij het moment, valt maar moeilijk te begrijpen wat het voor zin heeft om de tijd op te delen in steeds kleinere stukjes. Maar zoals Ye, hoogleraar natuurkunde aan de University of Colorado in Boulder uitlegt, is het bestuderen van het fenomeen tijd allesbehalve zinloos. Tijd, zegt Ye, ligt niet alleen ten grondslag aan alles wat we doen, maar vormt tevens de sleutel tot ons begrip van de werking van het heelal.

‘Tijd is een van de meest wezenlijke manieren waarop we in contact staan met de natuur,’ zegt Ye. De baan die de zon aflegt langs de hemel stelde de oude Egyptenaren in staat hun werktijden bij te houden. De zwaartekracht zorgde ervoor dat slingeruurwerken de tijd konden aangeven, waardoor zeelieden konden navigeren en de oceaan konden oversteken. En met behulp van oscillerend kwarts vond de tijd zijn weg naar de pols van de mens. Het meten van de tijd heeft altijd een cruciale rol vervuld binnen de menselijke samenleving, legt Ye uit, maar de manier waarop we tijd meten is ingrijpend veranderd.

De eerste atoomklokken

Naarmate de metingen nauwkeuriger werden, ontdekten wetenschappers dat de natuurlijke manieren om de tijd bij te houden onbetrouwbaar en inconsistent waren. Ze gingen op zoek naar uurwerken die niet achter zouden lopen en die niet zo vaak gelijk gezet hoefden te worden. Deze zoektocht zette natuurkundigen op het spoor van atomen, die dankzij hun natuurlijke eigenschappen als vanzelf ‘tikken’. Elk atoom bevat nog kleinere deeltjes die zijn gerangschikt als een zonnestelsel. In de kern zitten protonen en neutronen, de zon, en daaromheen cirkelen op steeds grotere afstand elektronen, de planeten.

In de minuscule, subatomaire wereld, volgen atomen de wetten van de kwantumfysica [het jonge deelgebied van natuurkunde dat deeltjes bestudeert die zo klein zijn dat de wetten van de traditionele natuurkunde niet meer gelden]. Elektronen kunnen overspringen van de ene baan naar de andere en als ze dat doen, absorberen ze een piepkleine hoeveelheid microgolfstraling, of geven die juist af, en gaan dan over in een andere energietoestand. Dit gebeurt talloze keren per seconde en al die sprongetjes heen en weer bepalen de transitiefrequentie van het atoom, oftewel het tikken van de klok.

Twee Britse natuurkundigen, Louis Essen en Jack Parry, vonden halverwege de vorige eeuw een manier om de atomen van het zachte, zilver-goudachtige metaal cesium te verwerken in een van de eerste atoomklokken. Dat betekende letterlijk een nieuwe definitie van tijd. Een seconde wordt tegenwoordig gedefinieerd als de transitiefrequentie van cesium 133, grofweg 9,2 miljard overgangen. In de klok van Essen en Parry, inmiddels een museumstuk, werden atomen gebruikt om kwartsuurwerken te resetten door het mineraal een duwtje te geven zodra de trillingen vertraagden. Als de klok al die tijd in gebruik was gebleven, zou er in driehonderd jaar niet één seconde te veel of te weinig zijn aangegeven.

Atoomklokken liggen ten grondslag aan veel van onze dagelijkse gemakken

In de loop der jaren ontdekten wetenschappers manieren om cesiumatomen zelfstandig te gebruiken. Ze bewerkten de atomen met microgolven die nauwkeurig waren afgestemd op de frequentie van cesium om te zorgen dat ze overgingen in hun hoge energietoestand. Met deze nieuwe generatie klokken werd de stabiliteit (de hoeveelheid tijd die erbij komt of die verloren gaat) een miljoen keer verbeterd.

Wie nu een blik op zijn mobieltje of computerscherm werpt, ziet een tijd die is gesynchroniseerd met meer dan vijfhonderd atoomklokken over de hele wereld. Dat betekent dat er ongeveer eens in de negentien maanden een extra tik wordt ingelast zodat de tijd die is gebaseerd op de rotatie van de aarde, gelijke tred houdt met de veel nauwkeurigere atoomtijd.

Goede timing

Ye houdt zich niet alleen bezig met onderzoek naar het fenomeen tijd; zijn eigen timing heeft er in zekere mate aan bijgedragen dat hij ook de meest nauwkeurige klok ter wereld heeft weten te maken. Hij werd geboren in Shanghai, aan het einde van de Chinese Culturele Revolutie en aan het begin van de wederopbouw van het onderwijssysteem. Niet lang nadat hij had besloten om een universitaire carrière, met de nadruk op wetenschap en technologie, te verkiezen boven zijn andere grote liefde, de literatuur, werd hij geselecteerd om zijn school te vertegenwoordigen op een landelijk natuurkundeconcours. Door dit concours, dat min of meer toevallig op zijn pad kwam, zou hij de kant op gaan van de natuurkunde.

‘Ik bracht het er niet slecht van af,’ zegt hij terugblikkend in een interview op de website van zijn universiteit, ‘en ik merkte dat ik natuurkunde hartstikke leuk vond.’ Het was een zeer gelukkige timing, want Ye bevond zich op het juiste moment op de juiste plek: het was de tijd waarin natuurkundigen de oplossing vonden voor een van de grootste hindernissen ooit bij het maken van een nog nauwkeurigere klok. De nauwkeurigheid wordt niet alleen bepaald door hoe klein je de deeltjes weet te maken waarin je de tijd opdeelt, maar ook door hoe goed je die deeltjes kunt lezen.

Voorheen waren klokken gebaseerd op de omzetting van de supersnelle microgolfstraling van een atoom naar de tragere radiogolven die konden worden gelezen door de elektronica van de tijdsaanduiding. Dat betekende dat je alleen grotere ‘brokken’ tijd kon zien – stel je een klok voor waarvan je weet dat hij elke seconde tikt, terwijl hij een wijzerplaat heeft waarop alleen uren en minuten worden aangegeven.

Toen Ye in 1999 werd aangenomen als natuurkundige bij het National Institute of Standards and Technology, en als hoogleraar aan de University of Colorado, in Boulder, was het de bedoeling dat hij het stokje zou overnemen van de vooraanstaande natuurkundige, en tevens Ye’s promotor, John Hall. Maar Hall en zijn collega Theodor Hänsch van het Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, Duitsland, stonden op het punt deze puzzel op te lossen.

Zo rond de eeuwwisseling, een paar jaar voor ze met pensioen gingen, vonden ze de frequentiekamlaser uit, waarmee tijd kon worden gemeten aan de hand van lichtfrequenties van een laser. Wetenschappers konden ineens atomen lezen die zelfs een nog hogere trillingsfrequentie hadden, soms zelfs tot in het optische bereik – frequenties tussen de 430 en 470 triljoen hertz (ter vergelijking: een slingeruurwerk heeft een frequentie van één hertz).

Ye noemt het een ‘doorbraak’ voor de wetenschap, waardoor onderzoekers nieuwe wegen konden inslaan. Hij praat over deze ontdekking zoals een groot ontdekkingsreiziger zou kunnen praten over een nieuw continent. ‘In feite stonden we min of meer aan de rand van een helling,’ zegt hij, ‘met in het dal een hele vallei vol wilde bloemen en al die prachtige bloemen konden we gewoon plukken.’

M&M’s in een eierdoos

Het duurde niet lang of Ye zorgde zelf ook voor doorbraken. Hij ontwikkelde een atoomklok die gebruikmaakt van strontium 87, een zacht, zilverwit, gelig metaal. De atomen van strontium 87 tikken per femtoseconde – oftewel een biljard keer per seconde. In de nieuwste uitvoering van de klok zijn duizenden supergekoelde strontiumatomen gerangschikt in een driedimensionaal raamwerk (zoiets als M&M’s op de punten en in de kuiltjes van een eierdoos). De atomen worden in trilling gebracht door een rode laser die is afgestemd op de frequentie van strontium, waarna een frequentiekamlaser de trilling uitleest.

Dit is de meest nauwkeurige klok ter wereld. Als hij zou hebben gelopen sinds de big bang, zo’n 13,8 miljard jaar geleden, zou hij hooguit een afwijking hebben gehad van een seconde. Ye laat ons kennismaken met zijn klok in The Most Unknown, een documentaire van Motherboard. Hij leidt geobioloog Victoria Orphan van Caltech door een doolhof van draden naar een grot die wordt verlicht door de blauwe gloed van de strontiumklok.

Voor de gemiddelde mens heeft het apparaat veel weg van een Rube Goldbergmachine. Het kost mij moeite om te begrijpen op welke schaal Ye werkzaam is, hoe hij onderzoekt wat hij onderzoekt, of zelfs waarom. Ye legt uit dat atoomklokken, net als de eerste zonnewijzers die mensen in staat stelden op het juiste moment te zaaien en te oogsten, ten grondslag liggen aan veel van de gemakken van het leven van alledag.

Op elke sprong voorwaarts in onze tijdmeting, volgt een maatschappelijke sprong voorwaarts

Neem gps. Of je Uber-chauffeur je op de juiste plek afzet is, in ieder geval ten dele, afhankelijk van atoomklokken. Gps-apparatuur berekent hoeveel tijd berichten van satellieten rond de aarde nodig hebben om het kastje te bereiken. Zo kan gps berekenen hoe groot de afstand tot de verschillende satellieten is en op die manier jouw positie bepalen. Een minieme afwijking in de tijdsberekening en je kunt zomaar ineens aan de andere kant van de stad uitkomen. Een vergissing van een milliseconde vertaalt zich in een afstandsfout van driehonderd kilometer. Ye voorspelt dat atoomklokken de basis zullen vormen van de navigatiesystemen van zelfrijdende auto’s en van voertuigen die de ruimte in worden gezonden, naar Mars of zelfs nog verder.

Nieuwe bergen

Volgens Ye is de ontwikkeling van supernauwkeurige klokken van grote wetenschappelijke waarde. ‘Meten is de essentie van wetenschap,’ zegt hij. ‘We zouden in staat moeten zijn door te dringen tot in de diepste kern van de natuur.’ Hij denkt dat met name atoomklokken wetenschappers in staat zullen stellen te doorgronden hoe de merkwaardige gedragingen van kwantumsystemen – zoals deeltjes die zich tegelijkertijd op twee verschillende plekken of in superpositie bevinden – zijn te rijmen met de klassieke natuurkunde die we elke dag aan den lijve ondervinden.

Een beter begrip van kwantumsystemen zou wetenschappers kunnen helpen te achterhalen hoe ook grote dingen zich op een kwantummanier kunnen gedragen. Dat is het idee achter kwantuminformatica: computerbytes tegelijk te laten werken, in plaats van een voor een. Volgens Ye zou dat mogelijk moeten zijn met een klok die nauwkeurig genoeg is om te meten hoe de tijd verandert in de buurt van de kleine dipjes in ruimtetijd rond deeltjes.

Nog een stap verder en je kunt meten hoe andere voorwerpen die dipjes in worden getrokken, en dan ben je in staat om ongekend nauwkeurig zwaartekracht te meten. Zo zouden geologen vulkaanuitbarstingen kunnen voorspellen, zegt Ye, door te registreren wanneer massa’s onder het aardoppervlak ook maar de geringste fractie bewegen.

Hoe meer we in de diepten van de atoomtijd duiken, hoe oneindiger de mogelijkheden lijken. Zelfs Ye zegt niet te geloven dat er grenzen zijn aan wat een klok vermag, en dus ook niet aan de mogelijkheden die dat biedt. ‘Ik heb vele obstakels op mijn pad gezien, maar uiteindelijk zie ik eigenlijk geen beperkingen,’ zegt hij. ‘Mijn belangstelling is er altijd al geweest, maar hij wordt alleen maar groter nu er de laatste tien, vijftien jaar zo veel vooruitgang is geboekt. Het hele vakgebied wordt erdoor gesterkt, men deinst er steeds minder voor terug om de diepe, wezenlijke vragen te stellen.’

Het valt moeilijk voor te stellen hoe een wereld met zo’n precieze klok eruit zou zien, maar misschien is dat nou precies waar het om gaat. Op elke sprong voorwaarts in de manier waarop we de tijd meten, volgt een belangrijke technische of maatschappelijke sprong voorwaarts. Het slingeruurwerk stelde mensen in staat de Atlantische Oceaan over te steken. De atoomklok maakte gps en internet mogelijk.
Het mooie van deze klokken is, om de woorden van Ye te gebruiken, dat ze ons in staat stellen over een nieuwe berg heen te kijken en te zien welke wilde bloemen er aan de andere kant groeien.

Auteur: Mirjam Guesgen

Motherboard
Verenigde Staten | website | motherboard.vice.com
Nieuwssite over wetenschap en technologie van Vice Media, met goede voorspellingen en trendanalyses. Biedt ook ruimte aan onverwachte onderwerpen en verrassende invalshoeken.