Het zou 15 miljard jaar duren voordat de klok die Jun Ye's kelderlab aan de Universiteit van Colorado bezet, een seconde zou verliezen - ongeveer hoe lang het universum al bestaat.

Voor deze uitvinding de Chinees-Amerikaanse wetenschapper, samen met Hidetoshi Katori uit Japan, zal $ 3 miljoen verdelen als medewinnaars van de 2022 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

Zelfstandig werken, de twee ontwikkelde technieken waarbij lasers worden gebruikt om atomen te vangen en af ​​te koelen, gebruiken vervolgens hun trillingen om wat bekend staat als "optische roosterklokken, " de meest nauwkeurige tijdwaarneming stukken ooit gebouwd.

Ter vergelijking, huidige atoomklokken verliezen eens in de 100 miljoen jaar een seconde.

Maar wat wordt er gewonnen door grotere nauwkeurigheid?

"Het is echt een instrument waarmee je de basisstructuur van ruimte-tijd in het universum kunt onderzoeken, "Je vertelde AFP.

In Ye's lab, onderzoekers hebben aangetoond dat de tijd langzamer gaat als de klok een paar centimeter dichter bij de grond staat, in lijn met de relativiteitsvoorspellingen van Einstein.

Toegepast op de huidige technologie, deze klokken zouden de nauwkeurigheid van GPS-navigatie met een factor duizend kunnen verbeteren, of help een onbemand ruimtevliegtuig soepel op Mars te landen.

Een korte geschiedenis van de tijd

Het verbeteren van de precisie en nauwkeurigheid van tijdwaarneming is een doel geweest sinds de oude Egyptenaren en Chinezen zonnewijzers maakten.

Een belangrijke doorbraak kwam met de uitvinding van de slingerklok in 1656, die vertrouwt op een zwaaiend gewicht om de tijd bij te houden, en een paar decennia later waren chronometers nauwkeurig genoeg om de lengtegraad van een schip op zee te bepalen.

Het begin van de 20e eeuw zag de opkomst van kwartsklokken, die wanneer ze met elektriciteit worden geschud, resoneren op zeer specifieke, hoge frequenties, of aantal tikken in een seconde.

Kwartsklokken zijn alomtegenwoordig in moderne elektronica, maar zijn nog enigszins vatbaar voor variaties veroorzaakt door het fabricageproces, of omstandigheden zoals temperatuur.

De volgende grote sprong in tijdwaarneming kwam van het benutten van de bewegingen van geactiveerde atomen om atoomklokken te ontwikkelen, die immuun zijn voor de effecten van dergelijke omgevingsvariaties.

Natuurkundigen weten dat een enkele, zeer hoge frequentie zal ervoor zorgen dat deeltjes, elektronen genaamd, die rond de kern van een specifiek type atoom draaien, naar een hogere energietoestand springen, een baan verder weg van de kern vinden.

Atoomklokken genereren de geschatte frequentie die ervoor zorgt dat atomen van het element Cesium naar die hogere energietoestand springen.

Vervolgens, een detector telt het aantal van die geactiveerde atomen, indien nodig de frequentie aanpassen om de klok nauwkeuriger te maken.

Zo nauwkeurig dat sinds 1967, één seconde is gedefinieerd als 9, 192, 631, 770 trillingen van een cesiumatoom.

Het universum verkennen, en aarde

Katori's en Ye's laboratoria hebben manieren gevonden om atoomklokken nog verder te verbeteren door oscillaties naar het zichtbare einde van het elektromagnetische spectrum te verplaatsen, met frequenties die honderdduizend keer hoger zijn dan die in de huidige atoomklokken worden gebruikt - om ze nog nauwkeuriger te maken.

Ze realiseerden zich dat ze een manier nodig hadden om de atomen te vangen - in dit geval van het element strontium - en houd ze stil met ultralage temperaturen om de tijd goed te kunnen meten.

Als de atomen vallen door de zwaartekracht of anderszins bewegen, er zou een verlies aan nauwkeurigheid zijn, en relativiteit zou verstorende effecten op de tijdwaarneming veroorzaken.

Om de atomen te vangen, de uitvinders creëerden een "optisch rooster" gemaakt door lasergolven die in tegengestelde richtingen bewegen om een ​​stationair, eierdoos-achtige vorm.

Ye is enthousiast over het mogelijke gebruik van zijn klok. Bijvoorbeeld, het synchroniseren van de klokken van 's werelds beste observatoria tot in de kleinste fracties van een seconde zou astronomen in staat stellen zwarte gaten beter te conceptualiseren.

Betere klokken kunnen ook nieuw licht werpen op de geologische processen van de aarde.

Relativiteit vertelt ons dat de tijd vertraagt ​​wanneer het een massief lichaam nadert, dus een voldoende nauwkeurige klok zou wetenschappers het verschil kunnen vertellen tussen vast gesteente en vulkanische lava onder het oppervlak, helpen bij het voorspellen van een uitbarsting.

Of inderdaad, meet de niveaus van de oceanen, of hoeveel water er onder een woestijn stroomt.

De volgende grote uitdaging, je zegt, zal de technologie miniaturiseren, zodat deze uit een laboratorium kan worden gehaald.

De wetenschapper geeft toe dat het soms moeilijk is om fundamentele natuurkundige concepten aan het publiek uit te leggen.

"Maar als ze horen over klokken, ze kunnen voelen dat het iets tastbaars is, daar kunnen ze een verband mee leggen, en dat is zeer de moeite waard, " hij zei.

© 2021 AFP