Vallende atomen bevestigen algemene relativiteitstheorie

Rotterdam, 21 febr. Een voorspelling van Einsteins algemene relativiteitstheorie, dat klokken langzamer lopen naarmate de zwaartekracht sterker is, is bewezen met een tot nu toe ongekende precisie.

Bijzonder is dat dit effect van de zwaartekracht, die de zwakste is van de vier bekende krachten in de natuur is en op subatomaire schaal te verwaarlozen, toch met behulp van afzonderlijke atomen kon worden gemeten. Een nieuw experiment was onnodig, want de uitkomsten lagen al besloten in tien jaar oude gegevens uit de groep van Nobelprijswinnaar Steven Chu, tegenwoordig minister van Energie onder Obama (Nature, 18 februari). Chu kreeg zijn Nobelprijs voor technieken om met lasers atomen te manipuleren. In zijn laboratorium op de universiteit van Stanford wist Chu een miljoen cesiumatomen tot stilstand te brengen en te vangen, waarna hij er een aantal van onderaf een duwtje gaf met een laser. Daarmee schoot hij ze omhoog in een soort atomaire fontein.

In het oorspronkelijke experiment bepaalde Chu de snelheid van de atomen in de fontein terwijl ze in een vrije val naar beneden kwamen. Zo kon hij de versnelling van de zwaartekracht berekenen.

Chu en zijn collega’s realiseerden zich dat er in dit experiment méér informatie verborgen zat. Volgens de quantummechanica gedragen (sub)atomaire deeltjes zich als golven, met een frequentie die samenhangt met hun massa. Chu realiseerde zich dat atomen, doordat ze een frequentie hebben, feitelijk ultrasnel tikkende klokken zijn. En zo’n atomaire klok die omhoog wordt geschoten, bevindt zich een beetje verder van het middelpunt van de aarde en ervaart daardoor een iets geringere aantrekkingskracht dan de atomen die beneden blijven. Volgens Einsteins Relativiteitstheorie liep voor de atomen in de fontein de tijd net even wat sneller, zo’n 0,00000000000000000002 seconden langer, een klein, maar meetbaar verschil.

In 1972 was het effect van een zwaartekrachtsveld op de tijd gemeten door het tikken van twee atoomklokken te vergelijken, eentje in een vliegtuig en de andere op aarde. Een soortgelijk experiment was ook uitgevoerd in een raket op een hoogte van tienduizend kilometer, maar de nauwkeurigheid waarmee Einstein nu is beproefd, met behulp van atomen die een paar tienden van een millimeter de lucht in worden geschoten, was zo’n tienduizend keer groter.