Deze natuurkundige wil de nauwkeurigste klok ter wereld maken

Ik heb een horloge, een klok in m’n smartphone en thuis heb ik er eentje aan de muur hangen. Die werken allemaal prima. Waarom zou je een nóg nauwkeurigere klok willen maken?

‘Voor veel toepassingen schiet de nauwkeurigheid van gewone klokken tekort. gps-satellieten hebben bijvoorbeeld klokken aan boord waarmee ze meten hoe lang een signaal erover doet om ze te bereiken. Daaruit bepaalt zo'n satelliet je positie. Met een nauwkeurigere klok, wordt die positiebepaling ook nauwkeuriger. Nu bepaalt gps de locatie van je auto met een nauwkeurigheid van enkele meters. Moet je je voorstellen dat het een meter wordt, of centimeters. Telefoon kwijt? Een app die een nauwkeurige klok gebruikt, vertelt je exact of hij op je bureau ligt of nog in je tas zit.

‘En een betere klok is ook handig bij geologische metingen. Je kunt dan bijvoorbeeld veel exacter hoogteverschillen meten. En het helpt ook in de sterrenkunde, wanneer verschillende telescopen tegelijk naar hetzelfde ding moeten kijken. Als je dat beter kunt timen, wordt het beeld dat ze samen schieten scherper.

‘Wat ik zelf het interessantst vind, is dat je ze kunt gebruiken voor fundamenteel onderzoek. Zo blijkt uit de algemene relativiteitstheorie dat de tijd trager gaat hoe dichter je bij een zware massa zoals de aarde bent. Onze klokken zijn zo nauwkeurig dat als je er eentje op de grond zet en een ander 40 centimeter omhoog tilt, de hogere klok merkbaar sneller tikt.

‘Ook kunnen we onderzoeken of onze natuurconstanten echt constant zijn, of met de tijd veranderen. De verhouding tussen frequentie en energie van lichtdeeltjes, bijvoorbeeld - de zogeheten constante van Planck. Zoiets kan ons hele beeld van de natuurkunde kantelen. Bij sommige radicale nieuwe theorieën die we op de plank hebben liggen, zijn dergelijke constanten niet meer constant. Dat kunnen we straks dus meten.’

Hoe maak je zo’n nauwkeurige klok?

‘Het getik-tak van een klok is niets anders dan de frequentie van het zwaaien van een slinger. Zo maakten mensen vroeger ook klokken, maar slingers kun je nooit héél nauwkeurig maken. Gelukkig heeft moeder natuur een efficiënt alternatief geregeld: het binnenste van atomen. Die kunnen lichtdeeltjes met een bepaalde frequentie absorberen. Die frequentie zien we in het dagelijks leven als kleur.

‘Met lasers waarvan je héél precies weet welke kleur licht ze maken, kun je die klok vervolgens uitlezen. Zo’n klok heeft een nauwkeurigheid van achttien cijfers achter de komma. Hij loopt op de leeftijd van het heelal - 14 miljard jaar - slechts één enkele seconde achter.

‘In het lab proberen we die toch al goede klok nu nog verder te verbeteren. We maken hem niet nauwkeuriger, maar wel handiger. Bij de huidige klok moet je een laser op het atoom schijnen om deze af te lezen. Dat kost ergens tussen enkele seconden en enkele duizendsten van seconden. Wij dachten daarom: zou het niet handiger zijn als de atomen zélf als een soort laser werken, en licht op de klokfrequentie zouden uitzenden? Dan kan je de klok continu, zonder pauzes, gebruiken. Dat blijkt lastig, maar we komen steeds dichterbij.’

10  miljoen euro is veel geld. Is dit onderzoek het echt waard?

‘Ja. De EU wil de concurrentieslag met andere landen niet verliezen. Ze snapt dat de quantumfysica - de natuurkundetheorie die de wereld op kleine schaal beschrijft - overal om ons heen is. De transistoren in onze computers maken er gebruik van; je iPhone zit bomvol quantumeffecten. Alleen: dat is zeventig jaar oude technologie. We kunnen nu veel meer. Apparaten bouwen met losse atomen, bijvoorbeeld. Dat maakt toepassingen mogelijk die niemand ooit heeft gezien. Zoals onze klok.’

Wanneer is de superklok klaar voor gebruik?

‘De eerste versie van de klok bestaat al in het lab. Die gaan we klaarmaken voor commercieel gebruik. Over drie jaar moet British Telecom een eerste versie hebben, die ze willen gebruiken om hun telecommunicatienetwerk te optimaliseren. Daarvoor moeten alle onderdelen alleen wel een stuk robuuster worden.’