Einstein aan boord van het International Space Station
In het kader van een ESA-experiment met uiterst nauwkeurige atoomklokken zullen onderzoekers aan boord van het International Space Station (ISS) de relativiteitstheorie van Einstein testen. Het experiment ACES of Atomic Clock Ensemble in Space zal in 2004 van start gaan.
Waarom is het experiment ACES tegelijk opwindend en opzienbarend? Omdat het de tijd nauwkeuriger dan ooit zal meten en zo op zoek kan gaan naar uiterst kleine effecten, die misschien de speciale relativiteitstheorie deels zullen weerleggen. Een beter inzicht op dit vlak kan onze voorstelling die we van het heelal hebben helemaal ondersteboven gooien.
Atomen geven de maat aan
ACES bestaat uit vier elementen die op een pallet gemonteerd worden. De atoomklokken PHARAO en SHM vormen het hart van ACES. PHARAO (Projet d’Horloge Atomique par Refroidissement d’Atomes en Orbite) is een cesiumklok en SHM (Space Hydrogen Maser) een waterstof-maserklok. Ze zenden via een laser- en microgolfverbinding tijdgegevens naar de aarde.
De twee atoomklokken werken eigenlijk zoals alle klokken op de aarde. Ze bestaan uit een 'maatgever' en een telwerk dat de maten telt en aangeeft. Maar waar bij een goede oude klassieke klok een slingerende pendel de maat aangeeft, zijn het bij een atoomklok atomen met een wisselende energietoestand die de basis van de tijdmeting vormen. Deze trillende atomen vormen op die manier een soort natuurlijke klok die uiterst juist en stabiel loopt. Wie het bijvoorbeeld wil meemaken dat een normale cesiumatoomklok één seconde voor- of achterloopt, moet 33 miljoen jaar oud worden... De cesiumklok PHARAO, speciaal ontworpen om te werken in gewichtloosheid, is nog veel nauwkeuriger.
Signalen tussen de aarde en het ISS
Einstein stelde in zijn speciale relativiteitstheorie van 1905 dat voor een waarnemer, die eenparig beweegt, de wetten van de fysica en de snelheid van het licht onveranderlijk zijn, ongeacht zijn snelheid en de richting waarin hij beweegt. Een voorwerp valt bijvoorbeeld altijd loodrecht naar beneden, of de persoon die het laat vallen zich nu op straat, aan boord van een hogesnelheidstrein of in een straalvliegtuig bevindt.
Als deze persoon twee klokken bij zich heeft, dan moeten die steeds gelijk lopen. Maar misschien zijn er wel heel kleine verschijnselen die niet in overeenstemming zijn met de relativiteitstheorie. Dergelijke eventuele afwijkingen van de theorie konden tot nu toe niet met behulp van experimenten vastgesteld worden omdat de meetnauwkeurigheid niet groot genoeg was. Maar door de uiterst gevoelige atoomklokken, die ook in gewichtloosheid werken, met elkaar te vergelijken kunnen zelfs de meest onbeduidende tijdverschillen vastgesteld worden. Als die verschillen ook werkelijk optreden dan betekent dat meteen een revolutie in de fysica. Want volgens de relativiteitstheorie van Einstein zijn ze uitgesloten.
Uiterste nauwkeurigheid met praktische gevolgen
ACES biedt ook nieuwe perspectieven voor toegepast onderzoek en praktische toepassingen. Door de nooit eerder geziene nauwkeurigheid, ook bij het doorsturen van de tijdgegevens, is het met ACES bijvoorbeeld mogelijk de verschillende atoomklokken op de aarde beter met elkaar te vergelijken. Zo kan dan weer de Internationale Atoomtijd wezenlijk nauwkeuriger dan voorheen bepaald worden.
Ook navigatiesystemen met satellieten zoals GPS profiteren van ACES. Door de grotere nauwkeurigheid zal men met millimeterprecisie aan plaatsbepaling kunnen doen. Daardoor worden technische toepassingen mogelijk, die nu nog toekomstmuziek zijn, zoals bijvoorbeeld de volledige automatisering van het opstijgen en landen van vliegtuigen.
De prototypes van de ACES-componenten zijn in de herfst van dit jaar klaar. Het vluchtmodel van de ACES-eenheid wordt dan in de zomer van 2004 aan de NASA geleverd en eind 2004 aan boord van een spaceshuttle naar het ISS gebracht. Uiteindelijk krijgt ACES tijdens een ruimtewandeling en met behulp van de robotarm van het ISS een plaats aan de buitenkant van de Europese onderzoeksmodule Columbus.
