Hoe algemeen is de Algemene Relativiteitstheorie

Of het nu vilt, appel of bakstenen is: in het vacuüm, wanneer er geen wrijving meer is en alleen de zwaartekracht werkt, vallen alle lichamen even snel. Einsteins Algemene Relativiteitstheorie, concreet het principe van equivalentie, voorspelt dit en het komt overeen met het huidige wereldbeeld van de fysica. Toch bestaan er twijfels – althans wat de extrema betreft. Ruimte-experimenten met kwantensensoren moeten nu duidelijkheid scheppen.

„Op grote schaal van sterrenstelsels verklaren de wetten van de zwaartekracht niet waarom het universum zich zo heeft ontwikkeld als wij het kennen“, zegt Andreas Wicht, hoofd van de werkgroep Lasermetrologie aan het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). „En op microscopisch niveau, onder de honderd micrometer, is er helemaal geen experimentele verificatie van de geldigheid van de zwaartekrachttheorie, zoals wij die kennen.“

Het controleren van de geldigheid van het principe van equivalentie op atomair niveau is het doel van het gezamenlijke project QUANTUS III, waaraan de universiteiten van Hannover, Hamburg, Ulm, Mainz, Darmstadt, Bremen en de HU-Berlin, evenals het FBH deelnemen. „Specifiek vragen we ons af: vallen rubidiumatomen precies zo snel als kaliumatomen?“ Andreas Wicht ontwikkelt met zijn team bij het FBH het laser-technologieplatform voor een zogenaamd atoom-interferometer, een kwantensensor die binnenkort in de ruimte ingezet moet worden.

Sinds eind jaren 1980 worden „atoom-val-experimenten“ op laboratoriumschaal uitgevoerd. Maar de vermoedelijke verschillen in valversnellingen zijn zo minimaal – ze liggen hooguit in de tiende decimale plek –, dat voor voldoende gevoelige metingen zeer lange meettijden nodig zijn. Alleen in de ruimte kunnen ze worden bereikt. Maar daarvoor zijn de ongeveer 2 x 2 meter grote meettafels veel te onhandig. Sinds medio jaren 1990 financiert het Duitse Centrum voor Lucht- en Ruimtevaart (DLR) daarom experimenten en bijbehorende technologieën. Zo zijn al experimenten uitgevoerd op de Bremse valtoren, die met een hoogte van ruim 100 meter een vrije val van vier seconden mogelijk maakt in een vacuümbuis. „Hiermee kon worden aangetoond dat het experiment in principe werkt. Maar de meettijd is nog steeds veel te kort.“

Hoe werkt het „Val-experiment“? „De atomen fungeren quasi als sensoren“, legt Wicht uit. In gewichtloosheid bevinden de atomen samen met de meetinrichting zich quasi in vrije val. Eerst wordt de thermische beweging van de atomen van de twee atoomsoorten met lichtpulsen van bepaalde frequentie zodanig afgeremd dat de atomen quasi stilstaan, omdat ze bijna tot op het absolute nulpunt worden afgekoeld. Met verdere laserpulsen worden de atomen nu zodanig gemanipuleerd dat ze zich in speciale toestanden bevinden die alleen met middelen uit de kwantumfysica kunnen worden beschreven, daarom worden ze ook kwantumoptische sensoren genoemd. De werking van de laserpulsen en daarmee de meetwaarde van de kwantumoptische sensor hangen echter zeer gevoelig af van de frequentie en fase van de lichtpulsen. Als nu de atomen van deze twee soorten verschillend zouden worden versneld, zouden de frequentie en fase van de laserpulsen voor beide soorten verschillend moeten worden aangepast aan het Dopplereffect dat uit deze verschillende versnellingen voortkomt. „Het verschil, voor het geval dat het bestaat, moet worden gemeten“, legt Wicht uit.

Bij het FBH is de „gereedschapsset uit licht“ ontwikkeld voor dit doel, een soort gesynchroniseerde lichtorgel uit verschillende spectraal smalbandige diodelasers, microspiegels en andere geminiaturiseerde optische componenten. „We kunnen twee van deze chips integreren op een keramisch onderstuk. Om hen heen worden de micro-optieken opgebouwd“, vertelt Wicht. „Het volledige lasersysteem zal bestaan uit zes of acht van dergelijke modules en qua volume ongeveer 1000 keer kleiner zijn dan een conventioneel product.“ Het wordt hermetisch afgesloten, alleen de lichtgeleider die naar de proefkamer leidt, steekt eruit.

In de Bremse valtoren heeft het systeem al zijn raketgeschiktheid bewezen. In april 2015 moeten experimenten plaatsvinden op een hoogtevliegraket die tot ongeveer 100 kilometer stijgt. Tot de terugkeer in de aardatmosfeer blijft een tijdvenster van zes minuten gewichtloosheid voor het experiment. Later moeten dergelijke experimenten worden uitgevoerd op een satelliet of het ruimtestation ISS.

Een behoorlijk grote inspanning, alleen om Einstein te weerleggen, nietwaar? Lacht Wicht. „Dat zou je kunnen denken. Maar toen GPS werd ontwikkeld, had niemand gedacht dat het vandaag in elke smartphone beschikbaar zou zijn. En zo zal, los van het atoom-experiment, de technologie van kwantensensoren misschien geen alledaagse, maar toch in ieder geval speciale technische toepassing vinden.“ Naast snelheids- en versnellingsmetingen kunnen hiermee bijvoorbeeld dichtheidsmetingen en zeer nauwkeurige plaatsbepalingen op aarde worden uitgevoerd.

De Britse regering heeft onlangs 270 miljoen pond geïnvesteerd in de commercialisering van kwantensensoren. Terwijl tegenwoordig voor de exacte plaatsbepaling toegang nodig is tot een GPS-satelliet, die uit kan vallen, navigeren kwantensensoren GPS-vrij, ze hebben slechts een bekende locatie als referentiepunt nodig. Anders dan GPS werken deze ook in de diepten van de oceanen voor onderzeeërs. „Het tweede grote toepassingsgebied zal de exploratie zijn“, voegt Wicht toe. Via ertslagen „vallen“ de atomen in de sensor sneller dan via normaal gesteente. Olievoorraden en grondwaterpeilen kunnen ook worden geëxploreerd.

Verenigd Koninkrijk investeert, de VS plannen experimenten op het ISS – en wat doet Duitsland? De programmacommissie voor optische technologieën identificeerde weliswaar binnen het kader van de agenda Photonik 2020 voor het BMBF kwantensensoriek als een veelbelovende toekomstige technologie. „Maar dat is papier“, zegt Wicht. „Wat we uiteindelijk nodig hebben, is geld voor verder onderzoek, een politieke beslissing.“ Nog ligt men relatief goed, omdat het DLR deze werkzaamheden financiert. „Maar we moeten oppassen dat we onze goede positie niet verliezen.“

De commercie staat voor fundamentele onderzoekers zoals Andreas Wicht niet op de voorgrond. Zij gaan puur voor de fysica. Albert Einstein zou het waarschijnlijk amusant hebben gevonden dat de aarde niet genoeg is om de grenzen van zijn geniale ideeën te bevatten.