Un ceas atomic a măsurat modul în care relativitatea generală deformează timpul pe un milimetru

Un milimetru ar putea să nu pară prea mult. Dar chiar și o distanță atât de mică poate modifica curgerea timpului.

Conform teoriei gravitației lui Einstein, relativitatea generală, ceasurile ticăie mai repede cu cât sunt mai departe de Pământ sau de un alt obiect masiv (SN: 10/4/15). Teoretic, acest lucru ar trebui să fie valabil chiar și pentru diferențe foarte mici ale înălțimii ceasurilor. Acum, un ceas atomic incredibil de sensibil a observat această accelerare pe un eșantion de atomi de dimensiuni milimetrice, dezvăluind efectul la o diferență de înălțime mai mică decât oricând înainte. Timpul s-a mișcat puțin mai repede în partea de sus a acelui eșantion decât în ​​partea de jos, au raportat cercetătorii pe 24 septembrie pe arXiv.org.

„Este fantastic”, spune fizicianul teoretician Marianna Safronova de la Universitatea din Delaware din Newark, care nu a fost implicată în cercetare. „M-am gândit că va dura mult mai mult pentru a ajunge la acest punct.” Precizia extremă a măsurătorilor ceasului atomic sugerează potențialul de a folosi ceasurile sensibile pentru a testa alte concepte fundamentale din fizică.

O proprietate inerentă a atomilor le permite oamenilor de știință să le folosească ca ceasuri. Atomii există la diferite niveluri de energie, iar o frecvență specifică a luminii îi face să sară de la un nivel la altul. Acea frecvență – rata de mișcare a undelor luminii – servește aceluiași scop ca acea secundă care ticăie regulat a unui ceas. Pentru atomii mai departe de sol, timpul curge mai repede, așa că va fi necesară o frecvență mai mare a luminii pentru a face să sară energia. Anterior, oamenii de știință au măsurat această schimbare de frecvență, cunoscută sub numele de deplasare gravitațională spre roșu, la o diferență de înălțime de 33 de centimetri (SN: 9/23/10).

În noul studiu, fizicianul Jun Ye de la JILA din Boulder, Colorado, și colegii săi au folosit un ceas format din aproximativ 100.000 de atomi de stronțiu ultrareci. Acei atomi au fost aranjați într-o rețea, ceea ce înseamnă că atomii s-au așezat la o serie de înălțimi diferite, ca și cum ar sta pe treptele unei scări. Cartografierea modului în care frecvența s-a schimbat la acele înălțimi a relevat o schimbare. După corectarea efectelor non-gravitaționale care ar putea schimba frecvența, frecvența ceasului s-a schimbat cu aproximativ o sutime de patrumilionime de procent peste un milimetru, doar suma așteptată conform relativității generale.

imaginea unui ceas atomic la JILA
Ceasurile atomice (unul prezentat într-o imagine compozită) păstrează timpul măsurând frecvența luminii care inițiază un salt între nivelurile de energie în atomi. Acest ceas atomic, situat la JILA, este similar cu cel folosit în noua cercetare de Jun Ye și colegii săi și folosește lumina laser pentru a menține atomii de stronțiu într-o rețea.Ye group și Baxley/JILA

Mai mult, după ce au luat date timp de aproximativ 90 de ore, comparând ticăitul secțiunilor superioare și inferioare ale ceasului, oamenii de știință au stabilit că tehnica lor ar putea măsura ratele relative de ticăituri cu o precizie de 0,76 milioane de trilioane de procente. Asta îl face un record pentru cea mai precisă comparație de frecvență efectuată vreodată.

Într-un studiu similar, trimis și pe 24 septembrie pe arXiv.org, o altă echipă de cercetători a încărcat atomi de stronțiu în anumite porțiuni ale unei rețele pentru a crea șase ceasuri într-unul. „Este foarte interesant ceea ce au făcut, de asemenea”, spune Safronova.

Shimon Kolkowitz de la Universitatea din Wisconsin-Madison și colegii săi au măsurat ratele relative de ticăituri a două dintre ceasuri, separate de aproximativ șase milimetri, cu o precizie de 8,9 milioane de trilioane de procente, ceea ce ar fi fost un nou record dacă nu a fost batut de grupul lui Ye. Cu această sensibilitate, oamenii de știință ar putea detecta o diferență între două ceasuri care ticează la o rată atât de ușor diferită încât nu ar fi de acord cu doar o secundă după aproximativ 300 de miliarde de ani. Ceasul lui Ye ar putea detecta o discrepanță și mai mică între cele două jumătăți ale ceasului de o secundă acumulate în aproximativ 4 trilioane de ani. Deși echipa lui Kolkowitz nu a măsurat încă deplasarea gravitațională spre roșu, configurația ar putea fi folosită pentru asta în viitor.

imaginea atomilor de stronțiu strălucind în albastru într-o cameră vid
Un nor de atomi de stronțiu (punct albastru strălucitor în centru) este prins într-o cameră cu vid care conține ceasul atomic al lui Shimon Kolkowitz și al colegilor. În experiment, atomii au fost transportați în diferite părți ale unei rețele pentru a face mai multe ceasuri atomice într-unul singur.S. Kolkowitz

Autorii ambelor studii au refuzat să comenteze, deoarece lucrările nu au trecut încă prin procesul de evaluare inter pares.

Precizia măsurătorilor sugerează posibilități viitoare, spune fizicianul teoretician Victor Flambaum de la Universitatea din New South Wales din Sydney. De exemplu, „ceasurile atomice sunt acum atât de precise încât pot fi folosite pentru a căuta materie întunecată”, spune el. Această substanță ascunsă, neidentificată, pândește invizibil în cosmos; anumite tipuri presupuse de materie întunecată ar putea modifica tic-tacurile ceasurilor. Oamenii de știință ar putea compara, de asemenea, ceasurile atomice formate din diferiți izotopi – atomi cu un număr variat de neutroni în nuclee – care ar putea sugera noi particule nedescoperite. Și ceasurile atomice pot studia dacă constantele fundamentale ale naturii pot varia (SN: 11/2/16).

Abilitatea de a compara cu precizie diferite ceasuri este, de asemenea, importantă pentru un obiectiv major al cronometrarii: actualizarea definiției unei secunde (SN: 3/24/21). Lungimea unei secunde este definită în prezent folosind o generație anterioară de ceasuri atomice care nu sunt la fel de precise ca cele mai noi precum cele utilizate în cele două noi studii (SN: 20.5.19).

„Există un viitor foarte luminos pentru ceasuri”, spune Safronova.