De meest nauwkeurige tijdsmetingen gebeuren vandaag met atoomklokken. Toch zijn recent grote stappen gezet richting een kernklok: een technologie die niet alleen nieuwe toepassingen belooft, maar ook een methode aanreikt om het standaardmodel van de fysica op de proef te stellen. Kan een nieuwe manier om tijd te meten ons tonen waar onze beste theorieën tekortschieten?

De kernklok en de atoomklok: twee handen op één buik

sandro kraemer en piet van duppen

Atomen bestaan uit een kleine, compacte kern van neutronen en protonen, waaromheen op relatief grote afstand elektronen bewegen in welbepaalde banen. Beeld je in dat de atoomkern de grootte heeft van een knikker die op de middenstip van het voetbalveld in het Koning Boudewijnstadion wordt gelegd. Dan vliegen de elektronen, gemiddeld gezien, rond in de tribunes.

Atoomklokken zijn gebaseerd op het nauwkeurig meten van een sprong van een elektron van de ene baan naar de andere of, met andere woorden, van de ene kwantumtoestand naar de andere. Deze zogenaamde elektronovergang wordt veroorzaakt door de absorptie van een foton met een welbepaalde energie. Een foton, ook wel lichtdeeltje genoemd, kan worden beschreven als een elektromagnetische golf waarvan de energie overeenkomt met een specifieke frequentie. Aangezien frequenties zeer nauwkeurig gemeten kunnen worden, zorgen atoomklokken tot op heden voor de meest accurate tijdsbepaling.

Courant gebruikte atoomklokken, zoals die gebruikt worden in satellieten, zijn gebaseerd op een elektronovergang waarvan de frequentie zich in het microgolvenregime bevindt. Ter illustratie: een microgolfoven werkt met een frequentie van ongeveer 2,45 miljard hertz (GHz), of trillingen per seconde. De allereerste atoomklok gebruikte een goed gekende elektronovergang in het isotoop cesium-133, een natuurlijk voorkomende vorm van cesium. Internationaal werd afgesproken dat de frequentie van de elektronovergang van cesium-133 per definitie gelijk is aan 9,192631770 GHz. Dit levert tot op de dag van vandaag de definitie van de seconde. Als tijdens een meting van de cesium-133 elektronovergang 9.192.631.770 trillingen vastgesteld worden, is er exact één seconde voorbij.

Het vervolg van dit artikel leest u in de papieren versie van Karakter. De volledige tekst verschijnt later online.