Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: kunnen we met verstrengelde miniklokjes effecten van de relativiteitstheorie op de quantumwereld meten?

Bizar idee: als je huis op het strand staat, word je minder snel oud dan wanneer je op een berg woont. Oké, het verschil is te klein om ervoor te verhuizen naar lagergelegen grondgebied – alle gedoe dat daarbij komt kijken, kost je veel meer tijd dan de fractie van een seconde aan levensduur die je wint. Maar in de basis geldt: als je meer zwaartekracht voelt – bijvoorbeeld doordat je dichter bij de aarde bent – verloopt de tijd voor jou trager.

Die tijdvertraging is een effect van Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie. Daarin wordt de zwaartekracht veroorzaakt doordat objecten met een massa – zoals de aarde – de ruimtetijd krommen. En hoe sterker de ruimtetijd om je heen gekromd is, hoe langzamer jouw klok tikt.

Dat effect is allesbehalve een theoretisch gekkigheidje. Het is op allerlei manieren gemeten en navigatiesystemen moeten er rekening mee houden. (Want: doordat gps-satellieten zich een eind boven het aardoppervlak bevinden, ervaren ze minder zwaartekracht en verloopt hun tijd dus sneller dan de onze.)

Wat alleen nog nooit is gemeten, is de invloed van dit verschijnsel op de quantummechanica, onze theorie van het allerkleinste. Maar daar denken natuurkundige Igor Pikovski en collega’s binnenkort verandering in te kunnen brengen.

Meer van Far Out:

• Klapt het heelal ‘al’ over 20 miljard jaar in elkaar?
• Strange stars: hebben astronomen een nieuw en vreemd type ster gevonden?

Met zichzelf oneens

Vaste KIJK-lezers met een extreem goed geheugen voor namen denken nu misschien bij zichzelf: ‘Igor Pikovski… dat doet een belletje rinkelen.’ En inderdaad: deze natuurkundige speelde ook al een hoofdrol in het artikel Zoektocht naar het onvindbare in KIJK editie 10 van 2025. Dat draaide om een experiment waarmee wetenschappers in de nabije toekomst gravitonen hopen te observeren, de nog nooit waargenomen deeltjes die de zwaartekracht overdragen. Daarnaast heeft Pikovski dus, met andere collega’s, ook een plan bedacht om het effect van diezelfde zwaartekracht op de quantummechanica te meten.

Het zaadje van dit idee werd alweer bijna vijftien jaar geleden geplant, vertelt Pikovski. Dat draaide om wat je zou kunnen zien als een kleiner-dan-microscopisch klokje: een enkel atoom – bijvoorbeeld van het scheikundige element strontium of ytterbium – dat je kunt gebruiken om enorm accuraat de tijd te meten. Destijds wilden Pikovski en zijn team de vreemde regels van de quantummechanica inzetten om zo’n klokje zich op twee plekken tegelijk te laten bevinden, bijvoorbeeld op zeeniveau en 10 meter daarboven. Het klokje zou dan door het verschil in zwaartekracht met twee verschillende tempo’s tikken – en het dus als het ware met zichzelf oneens zijn over het verloop van de tijd.

Helaas bleek dit experiment toen praktisch onhaalbaar. Hoewel de onderzoekers toen alsnog optimistisch schreven dat het “binnen de komende paar jaar” gerealiseerd zou kunnen worden, bleef het een plan op papier.

Verstrengeld en geteleporteerd

Maar inmiddels is er een alternatief mogelijk, dankzij twee ándere vreemde verschijnselen uit de quantumwereld. Allereerst kun je één klok ‘uitsmeren’ over meerdere deeltjes die een quantummechanische band met elkaar hebben; die, zoals dat heet, met elkaar verstrengeld zijn. Vervolgens kun je de eigenschappen van een van die klokdeeltjes overhevelen naar een ander deeltje, ook als dat zich een heel eind verderop bevindt. Die truc, die natuurkundigen steeds beter onder de knie hebben gekregen, wordt quantumteleportatie genoemd. Op die manier kun je dus het ene klokdeeltje op zijn plek laten, terwijl je het andere teleporteert naar een ‘gastheerdeeltje’ dat zich een kilometer hoger of lager bevindt. Resultaat: twee deeltjes, die de tijd door hun hoogteverschil verschillend zullen ervaren, maar die nog steeds samen één klok vormen.

In het huidige experiment gaat het zelfs om drie van die klokdeeltjes. Het gaat Pikovski er namelijk niet om vast te stellen dat de tijd voor het lagere klokdeeltje trager verloopt dan het hogere klokdeeltje; dat weten we al. In plaats daarvan wil hij het effect van de kromming van de ruimtetijd rond de aarde meten. En als je in kaart wilt brengen hoe die kromming precies verloopt, heb je minstens drie klokdeeltjes nodig, op verschillende hoogtes, die de tijd elk net even anders ervaren.

‘Uitdagend maar haalbaar’

Bovendien willen Pikovksi en zijn team specifiek de effecten van die ruimtetijdkromming op de quantummechanica meten. Daarom moeten ze de tijdmetingen van hun de klokjes eerst samenbrengen en op elkaar in laten werken. Zo krijgen ze een puur quantummechanisch patroontje met pieken en dalen, waarin het verschil in tijdsverloop versleuteld zit. “Dit experiment lijkt me uitdagend maar haalbaar”, zegt Pikovski. “Ik hoop dat we het binnen vijf jaar kunnen gaan doen.”

En stel dat dat inderdaad lukt… Wat zou het resultaat ons dan vertellen? Op basis van de theorie kunnen we uitrekenen waar de pieken en dalen in het samengevoegde signaal van drie klokjes op verschillende hoogtes zouden moeten zitten. Maar of die berekeningen ook stroken met de werkelijkheid? “Daar hebben we nog nul experimenteel bewijs voor”, zegt Pikovski. “Wie weet komen we wel voor verrassingen te staan. Want dit is een punt waarop de quantummechanica en de relativiteitstheorie elkaar echt ontmoeten. En wie weet wat er dan gebeurt?”

Deze Far Out staat ook in KIJK 11-12-2025.