Nog niet eerder lukte het onderzoekers om zo’n korte tijdspanne – 10^-21 seconden – te meten.

Het was wereldnieuws toen de Egyptische chemicus Ahmed Zewail erin slaagde om de snelheid te meten waarmee moleculen van vorm veranderen. Deze processen vinden plaats in de orde van femtoseconden. Een bijna niet te bevatten tijdsduur waarbij een femtoseconde slechts 0,000000000000001 seconden duurt.

Zeptoseconde
Dat er nog kortere tijdsspannen bestaan, staat buiten kijf. Maar zie ze maar eens te meten. Onderzoekers van de Goethe Universität in Frankfurt zijn daar nu in geslaagd. Ze hebben een proces bestudeerd dat in de orde van zeptoseconden plaatsvindt.


En daarmee hebben onderzoekers direct de kortste tijdspanne ooit gemeten te pakken. Een zeptoseconde is bovendien ook nog eens een flinke stap korter dan de femtoseconde. Waar het eentje na de komma bij de femtoseconde veertien nullen voor zich moet dulden, zijn dat er bij de zeptoseconde 20.

Foton
Maar welk proces duurt nu zo bijzonder kort? De onderzoekers doen het in het blad Science uit de doeken. Het gaat om de reis van een foton (een lichtdeeltje) door een waterstofmolecuul. Die reis duurt 247 zeptoseconden.

Niet berekenen, maar meten
Dat is op zichzelf niets nieuws, zo vertelt onderzoeker Sven Grundmann. “De gemiddelde bindingslengte (dat wil zeggen de afstand tussen de twee waterstofatomen waaruit een waterstofmolecuul bestaat, red.) was al bekend en hetzelfde geldt voor de snelheid van het licht. Dus je kan in principe vrij eenvoudig berekenen dat een foton er 247 zeptoseconden over doet om door dit molecuul te reizen.” Wat het onderzoek zo bijzonder maakt, is dat onderzoekers het niet hebben berekend, maar gemeten. “Dat is nog nooit eerder gedaan, omdat daar geen geschikte klok voor was.”


Stopwatch
En daarmee hebben we ook direct de grootste uitdaging van het onderzoek te pakken. “Je moet eerst een stopwatch hebben, oftewel een manier bedenken om zulke korte tijdspannen te kunnen meten,” aldus Grundmann. En dat hebben Grundmann en collega’s dus gedaan. Ze stuurden een foton op een waterstofmolecuul af. Deze stuitte in het waterstofmolecuul eerst op het eerste waterstofatoom en ontdeed dat van zijn elektron, om vervolgens hetzelfde met het tweede waterstofatoom te doen alvorens het molecuul te verlaten. De verwijdering van een elektron gaat gepaard met elektrongolven, die eerst in het eerste atoom ontstaan en later in het tweede. “Vergelijk het met een platte steen die het water twee keer raakt en twee golfpatronen veroorzaakt,” legt Grundmann uit. Waar deze golfpatronen in beginsel symmetrisch zijn, worden ze door deze verstoring – ingegeven door het feit dat de steen het water op twee verschillende momenten raakt – asymmetrisch. “Uit die asymmetrie kun je afleiden hoeveel tijd er verstreken is tussen de eerste en tweede aanraking van het water.” En tijdens de ontmoeting tussen het foton en het waterstofmolecuul gebeurt iets soortgelijks. “Het foton is eigenlijk de steen die eerst het eerste waterstofatoom raakt en later de tweede. De uitgaande elektrongolven creëren een verstoord patroon en die asymmetrie stelt ons in staat om te berekenen hoelang het foton er over doet om door het waterstofmolecuul te reizen.”

Quantum
Het meten van zeptoseconden is in het dagelijks leven niet direct nuttig, maar dat is anders voor de quantum-wereld, oftewel de wereld der kleinste deeltjes. “Sommige processen in die wereld gaan heel snel. En om ze afgezet tegen hun duur te kunnen bestuderen, moet je korte tijdspannen kunnen meten.”

Voor nu is de kortste gemeten tijdspanne in de orde van zeptoseconden, maar Grundmann twijfelt er niet aan dat dat op termijn gaat veranderen. “Ik denk dat er wel mensen zijn die slimme manieren gaan bedenken om nog kortere tijdsspannen te meten. In de atomaire en moleculaire natuurkunde hebben we onze grens nu wel bereikt, denk ik: we hebben gezien hoe het snelste object (licht, red.) de kortst mogelijke afstand aflegt. Maar misschien worden we in de toekomst nog verrast.”