Dilatarea timpului a fost măsurată pe cea mai mică scară de până acum

Pentru cea mai mare parte a istoriei omenirii, am păstrat timpul după locul Pământului în spațiu. A doua a fost o subdiviziune a unei zile Pământului și, mai târziu, a unui an Pământesc: intervalul de timp a fost definit de locul în care se afla Pământul. Apoi a venit ceasul atomic.

Oamenii de știință au cercetat atomii elementului cesiu, unde un proces numit tranziție hiperfină emite și absoarbe microunde, pe care oamenii de știință le-ar putea cronometra foarte precis cu ajutorul unui cristal de cuarț vibrant. Aceasta stă la baza modului în care oamenii de știință măsoară timpul astăzi și le-a permis să creeze o definiție mai precisă a celui de-al doilea în 1967.

Această definiție nu s-a schimbat semnificativ în peste o jumătate de secol și nici nu s-a folosit sincronizarea ceasurilor atomice pentru a o crea. Acele ceasuri nu ar fi pierdut nicio secundă de la dispariția dinozaurilor. Dar ceasuri atomice mai bune sunt aici și sunt bune pentru mai mult decât pentru a ține timpul – sunt și instrumente grozave de fizică.

Acum, două grupuri diferite au creat ceasuri care pot măsura fizica subtilă în interiorul ceasurilor în sine. Echipele de cercetare și-au publicat rezultatele în două lucrări diferite în revista Nature pe 16 februarie. Aceste noi ceasuri pot măsura una dintre predicțiile lui Albert Einstein – dilatarea timpului datorată gravitației – la cea mai mică scară de până acum.

Ceasurile atomice de ultimă oră, precum acestea, nu folosesc nici cesiu, nici cuarț. În schimb, fundația lor este structurile de atomi de stronțiu super-răciți. Operatorii lor pot controla atomii folosind un laser care emite lumină vizibilă. Prin urmare, ele sunt numite „ceasuri optice”.

Un astfel de ceas optic există la Universitatea din Wisconsin-Madison. Acest ceas conține șase clătite de stronțiu – de fapt, șase ceasuri mai mici – în aceeași structură. (Nu este nimic unic în acest număr; ar putea adăuga mai mult sau mai puțin. „Șase este oarecum arbitrar”, spune Shimon Kolkowitz, fizician la Universitatea din Wisconsin-Madison.)

Ceasul Madison poate menține timpul într-o secundă peste 300 de miliarde de ani – de peste 20 de ori mai mult decât vârsta universului. Acesta ar fi fost un record mondial, dar acest ceas nu este nici măcar cel mai puternic de acolo. Este depășit de un alt multi-ceas la JILA, un proiect comun al Institutului Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și al Universității din Colorado, Boulder.

[Related: Researchers just linked three atomic clocks, and it could change the future of timekeeping]

A avea mai multe „ceasuri” în același dispozitiv nu este neapărat util pentru cronometrarea. (De exemplu, la ce ceas vă uitați?) Dar vă permit să comparați ceasurile între ele. Deoarece aceste ceasuri sunt foarte, foarte precise, ele pot măsura unele fizice foarte precise. De exemplu, grupul Boulder ar putea testa dilatarea timpului într-un singur dispozitiv.

„A fost oarecum, până acum, ceva ce găsiți comparând ceasuri separate pe distanțe”, spune Tobias Bothwell, un student absolvent la JILA și NIST.

Conform relativității, timpul încetinește cu cât mergi mai repede pe măsură ce te apropii de viteza luminii. Câmpurile gravitaționale pot provoca, de asemenea, aceeași încetinire: cu cât câmpul este mai puternic, cu atât dilatarea timpului este mai mare. Luați Pământul. Cu cât sunteți mai aproape de centrul Pământului, cu atât gravitația Pământului vă trage în jos și cu atât mai multă dilatarea timpului experimentați.

De fapt, experimentezi timpul mai lent decât păsările deasupra capului tău, iar lucrurile de sub picioarele tale trăiesc de fapt timpul mai lent decât tine. Miezul Pământului este de fapt cu 2,5 ani mai vechi decât scoarța terestră. S-ar putea să sune mult, dar față de istoria de 4,6 miliarde de ani a planetei noastre, nu este nici măcar o picătură în găleata de timp. Cu toate acestea, oamenii de știință au măsurat aceste tipuri de diferențe subtile de zeci de ani, folosind orice, de la raze gamma la semnale radio, până la Marte și, într-adevăr, ceasuri atomice.

În 1971, doi oameni de știință au purtat ceasuri atomice la bordul zborurilor comerciale și le-au zburat în jurul lumii, câte unul în fiecare direcție. Ei au măsurat o diferență subtilă de câteva sute de nanosecunde, potrivit previziunilor. În 2020, oamenii de știință au folosit două ceasuri, unul la 1.480 de picioare deasupra celuilalt, la Tokyo Skytree, și au găsit o diferență care i-a dovedit din nou că Einstein este corect.

Aceste experimente arată că relativitatea este universală. „Este la fel peste tot pe Pământ, practic”, spune Alexander Aeppli, un student absolvent la JILA și NIST. „Dacă poți măsura un centimetru aici, poți măsura un centimetru în altă parte.”

NIST ajunsese deja la nivelul centimetrului. În 2010, oamenii de știință de la NIST au efectuat o măsurătoare similară folosind diferite ceasuri la aproximativ un picior distanță.

Într-unul dintre noile studii, două clătite cu stronțiu dintr-un singur dispozitiv au fost separate de și mai puțin: aproximativ un milimetru. După 90 de ore de colectare a datelor, grupul Boulder a reușit să discerne diferența subtilă a luminii, făcând o măsurătoare de 50 de ori mai precisă decât oricare dintre acestea.

Recordul pentru măsurarea lor anterior a fost observarea unei dilatări – o diferență în frecvența luminii – la 19 zecimale, spune Bothwell. „Acum, am trecut la 21 de cifre… În mod normal, când treci la o singură zecimală, ești entuziasmat. Dar am fost norocoși să fim într-o poziție în care am putea merge pentru doi.”

Acestea, potrivit lui Kolkowitz, sunt „rezultate foarte frumoase și incitante”.

Dar Kolkowitz, care nu a făcut parte din studiul NIST, spune că ceasul NIST are un dezavantaj: nu este atât de ușor de scos din laborator. „Grupul NIST are cel mai bun laser din lume și nu este foarte portabil”, spune el.

El vede munca celor două grupuri ca fiind complementară. Ceasul Boulder ar putea măsura timpul și alte proprietăți fizice cu o precizie din ce în ce mai mare. Între timp, el crede că un ceas mai mobil, asemănător cu cel de la Madison, ar putea fi transportat într-o serie de setări, inclusiv în spațiu pentru a căuta materie întunecată sau unde gravitaționale.

Deși este destul de grozav să demonstrezi că fizica de bază funcționează așa cum au crezut Einstein și prietenii, există de fapt destul de multe aplicații în lumea reală pentru acest tip de știință. Navigația, de exemplu, ar putea beneficia de ceasuri mai precise; GPS-ul trebuie să corecteze dilatarea timpului. Și măsurarea puterii dilatației timpului v-ar putea permite să măsurați mai precis câmpurile gravitaționale, care ar putea, de exemplu, să privească sub suprafața Pământului.

„Puteți să vă uitați la penele de magmă de sub Pământ și să vă dați seama, poate, când ar putea erupe un vulcan”, spune Aeppli. “Lucruri de genul acela.”

Leave a Comment