Negatieve energie lost atoomklokpuzzel op
Een ernstige tegenstrijdigheid tussen theorie en experiment heeft tot nu toe verhinderd dat atoomklokken nauwkeuriger werden. Nu blijkt dat wat ontbrak negatieve energie was.
De nauwkeurigste klokken ter wereld zijn nu nog nauwkeuriger. Twee onderzoeksgroepen zijn er onafhankelijk van elkaar in geslaagd om een minuscule interferentiefactor in de interactie van een strontiumatoom met licht nauwkeurig te berekenen, wat eerder tot een tegenstrijdigheid tussen theorie en experiment in tijdmetingen had geleid. Twee fysische eigenschappen van het atoom, de polariseerbaarheid van het elektrisch quadrupoolmoment (E2) en het magnetisch dipoolmoment (M1), leiden tot een kleine verschuiving in de energietoestanden bij interactie met het laserlicht in de atoomklok. Tot nu toe hebben metingen echter aangetoond dat deze verschuiving afwijkt van de theoretisch verwachte waarde.
De teams onder leiding van Sergey G. Porsev van de Universiteit van Delaware en Fang-Fei Wu van het Wuhan Institute of Physics and Mathematics zijn nu tot de conclusie gekomen dat elektronische kwantumtoestanden met negatieve energie deze tegenstrijdigheid volledig oplossen. Dit betekent dat atoomklokken op basis van strontium nu een hogere nauwkeurigheid kunnen bereiken dan de 1 : 10¹⁸ die eerder haalbaar was. Deze klokken zouden nu dus nauwkeurig genoeg kunnen zijn voor voorheen onbereikbare toepassingen, zoals metingen van zwaartekrachtgolven met satellietopstellingen.
Hogeprecisie strontium atoomklokken zijn gebaseerd op een specifieke energieovergang bij een golflengte van 698 nanometer in dit atoom. Om deze frequentie te gebruiken voor exacte tijdmetingen, worden de atomen in een staande golf van laserlicht gehouden, waarvan de golflengte zo is ingesteld dat deze de frequentie van de overgang zo min mogelijk verschuift. Een bepaalde interactie met het laserlicht kan echter niet worden vermeden en deze hangt af van de polariseerbaarheid van het elektrische quadrupoolmoment en het magnetische dipoolmoment van het strontiumatoom. Pogingen om deze twee grootheden te berekenen hebben tot nu toe geleid tot tegenstrijdigheden met de meetgegevens: Volgens berekeningen is E2 groter, volgens metingen M1.
De teams onder leiding van Porsev en Wu hebben deze berekeningen nu opnieuw uitgevoerd. Ze hebben ook rekening gehouden met kwantumtoestanden met negatieve energie, die voorkomen als oplossingen van de kwantummechanische vergelijkingen voor de elektronen van het atoom. Deze worden meestal weggelaten omdat echte deeltjes positieve energieën hebben. In de berekeningen van E2 en M1 wordt echter een wiskundige methode gebruikt die alle mogelijke toestanden van de betrokken deeltjes bij elkaar optelt om de polariseerbaarheid van het totale systeem te verkrijgen. En, zoals bleek, betekent alles ook echt alles. Zelfs die met negatieve energie.
Het feit dat kwantumtoestanden met negatieve energie niet verwaarloosd kunnen worden in dergelijke theoretische procedures was al aangetoond bij de berekening van andere kwantumeigenschappen. Zoals de experts ontdekten, maakt het bij atoomklokken ook een aanzienlijk verschil of deze toestanden worden meegenomen in de totale som - maar niet voor beide beschouwde variabelen. Terwijl de toestanden met negatieve energie nauwelijks een rol spelen in E2, leveren ze de belangrijkste bijdrage in M1. Deze correctie betekent dat M1 nu groter is dan E2 en dat de theoretische berekeningen dus niet langer fundamenteel in tegenspraak zijn met de gemeten eigenschappen van het strontiumatoom. Dit betekent dat de interactie tussen licht en het atoom nu veel nauwkeuriger kan worden berekend - en daarmee ook de exacte frequentie waarmee de tijd wordt gemeten.
Spectrum van de wetenschap
Wij zijn partner van Spektrum der Wissenschaft en willen geluidsinformatie toegankelijker voor je maken. Volg Spektrum der Wissenschaft als je de artikelen leuk vindt.
[[small:]]
© liulolo / Getty Images / iStock (detail) Bij de processen in atoomklokken moet ook rekening worden gehouden met deeltjes met negatieve energie.
Deskundigen uit wetenschap en onderzoek doen verslag van de huidige bevindingen op hun gebied - deskundig, authentiek en begrijpelijk.