Het internationale ruimtestation zal de meest nauwkeurige klokken bevatten die ooit de aarde hebben verlaten. In 300 miljoen jaar tot op een seconde nauwkeurig zullen de klokken de tijdmeting verleggen om de grenzen van de relativiteitstheorie en ons begrip van de zwaartekracht te testen.

De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein voorspelde dat zwaartekracht en snelheid de tijd beïnvloeden, hoe sneller je reist, hoe meer de tijd vertraagt, maar ook hoe meer zwaartekracht aan je trekt, hoe meer tijd vertraagt.

Op 29 mei 1919 werd de theorie van Einstein voor het eerst op de proef gesteld toen Arthur Eddington tijdens een zonsverduistering het licht rond de zon zag 'buigen'. Veertig jaar later, het Pound-Rebka-experiment mat eerst het roodverschuivingseffect dat wordt veroorzaakt door de zwaartekracht in een laboratorium, maar een eeuw later zoeken wetenschappers nog steeds naar de grenzen van de theorie.

"De relativiteitstheorie beschrijft ons heelal op grote schaal, maar op de grens met de oneindig kleine schaal klopt de theorie niet en blijft ze in strijd met de kwantummechanica, " legt Luigi Cacciapuoti uit, ESA's Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) projectwetenschapper. "De pogingen van vandaag om de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica te verenigen, voorspellen schendingen van het equivalentieprincipe van Einstein."

Het principe van Einstein beschrijft hoe zwaartekracht tijd en ruimte verstoort. Een van de meest interessante manifestaties is tijdsdilatatie als gevolg van de zwaartekracht. Dit effect is bewezen door klokken op verschillende hoogten te vergelijken, zoals op bergen, in valleien en in de ruimte. Klokken op grotere hoogte laten zien dat de tijd sneller verstrijkt dan een klok op het aardoppervlak, omdat er minder zwaartekracht van de aarde is naarmate je verder van onze planeet bent.

Vliegen op 400 km hoogte op het ruimtestation, het Atomic Clock Ensemble in Space zal nauwkeurigere metingen doen dan ooit tevoren.

internet van klokken

ACES zal een "internet van klokken" creëren, verbinden de meest nauwkeurige atomaire uurwerken over de hele wereld en vergelijken hun tijdwaarneming met die op het gewichtloze laboratorium van de mensheid terwijl het overvliegt.

Om de tijd te vergelijken met een stabiliteit van honderden femtoseconden - een miljoenste van een miljardste van een seconde - zijn technieken nodig die de grenzen van de huidige technologie verleggen. ACES heeft twee manieren waarop de klokken hun gegevens kunnen verzenden, een microgolfverbinding en een optische verbinding. Beide verbindingen wisselen tweerichtingstimingsignalen uit tussen de grondstations en de ruimteterminal, wanneer het timingsignaal omhoog gaat naar het ruimtestation en wanneer het terugkeert naar de aarde.

De ongekende nauwkeurigheid die deze opstelling biedt, levert een aantal mooie bonussen op voor het ACES-experiment. Klokken op de grond zullen onderling worden vergeleken om lokale metingen van geopotentiaalverschillen te geven, het helpen van wetenschappers om onze planeet en haar zwaartekracht te bestuderen.

De frequenties van de laser- en microgolfverbindingen zullen helpen begrijpen hoe licht en radiogolven zich door de troposfeer en ionosfeer voortplanten en zo informatie verschaffen over het klimaat. Eindelijk, het internet van klokken zal wetenschappers in staat stellen om tijd te verdelen en hun klokken wereldwijd te synchroniseren voor grootschalige aardse experimenten en voor andere toepassingen die nauwkeurige timing vereisen.

"De volgende generatie atoomklokken en de verbindingstechnieken die we ontwikkelen, zouden ooit kunnen worden gebruikt om zwaartekrachtgolven zelf waar te nemen als de door ESA voorgestelde LISA-missie, " voegt Luigi toe, "maar op dit moment zal ACES ons helpen om Einsteins algemene relativiteitstheorie zo goed mogelijk te testen, op zoek naar kleine overtredingen die, indien gevonden, zou een venster kunnen openen naar een nieuwe theorie van de fysica die moet komen."

De klokken zijn getest en geïntegreerd in de ACES-lading en de microgolfverbinding voor ACES ondergaat tests voordat ze definitief worden geïntegreerd in het volledige experiment. ACES zal tegen 2020 klaar zijn voor lancering naar het ruimtestation.