Главная Новости Ученые доказали, что эффекты ОТО проявляются даже на атомарном уровне

Ученые доказали, что эффекты ОТО проявляются даже на атомарном уровне

Гравитация обращается со временем, как со жвачкой. Чем сильнее притяжение, тем медленнее течет время. Оно как бы растягивается в пространстве, создавая иную, непривычную для нас физическую реальность.

Используя новые атомные часы, ученые измерили замедление времени на самом коротком расстоянии - всего один миллиметр.

Эксперимент проводился с массивом атомов стронция, что еще более интересно, учитывая неунывающие дискусссии о "непремиримости" общей теории относительности и квантовой механики.

Общая теория относительности Альберта Эйнштейна предсказывает, что там, где гравитация сильнее, время течет медленнее. Это называется замедлением времени. Гравитация сильнее в центре Земли. Поэтому, согласно Эйнштейну, там время должно идти медленнее, чем на поверхности планеты. И, надо сказать, эксперименты это подтвердили.

Новые атомные и старые дедушкины часы

Чжун Йе возглавлял исследовательскую группу, которая попробовала измерить время в микромасштабах. Он физик из Национального института стандартов и технологий.

Способность новых атомных часов ощущать крошечные изменения гравитации делает их мощным инструментом для фундаментальных исследований. С их помощью можно отслеживать даже изменения климата.

Также эти часы могут помочь прогнозировать извержения вулканов и составлять карту Земли.

По словам создателей, их конструкция открывает путь к созданию атомных часов, которые будут еще более сверхточными. Йе и его коллеги описали свои результаты в журнале Nature.

Новые атомные часы - это "большая, разрозненная система с множеством различных компонентов", - говорит Александр Эппли. Он аспирант в команде Йе в Университете Колорадо. В целом, новые часы занимают две комнаты и содержат зеркала, вакуумные камеры и восемь лазеров.

Ученые подтвердили: общая теория относительности работает даже на микроуровне

Все часы состоят из трех основных компонентов. Первый - это то, что ходит вперед-назад, или осциллирует. Затем есть счетчик, отслеживающий количество колебаний.

По словам Эппли, дедушкины часы помогают представить, как все эти части работают вместе. В них есть маятник, который колеблется с регулярным интервалом - раз в секунду. После каждого колебания счетчик переводит секундную стрелку часов вперед. После шестидесяти колебаний счетчик переводит вперед минутную стрелку. И так далее.

Исторически так сложилось, что полуденное солнце служило эталоном определения точного времени.

DHgate WW

"Атомные часы состоят из тех же трех компонентов, но их масштаб значительно отличается, - объясняет Эппли. - Колебания контролируютсся лазером. Этот лазер имеет электрическое поле, и оно невероятно быстро меняется - 429 триллионов раз в секунду. Слишком быстро для электроники. Поэтому в атомных часах в качестве счетчика используется специальное лазерное устройство - частотная гребенка.

Поскольку лазер атомных часов делит время на такие крошечные интервалы, он может очень точно отслеживать ход времени. Подобный хронометр требует сверхточного эталона. Например, поведение атомов.

В сердце часов находится облако из 100 000 атомов стронция. Они уложены вертикально и удерживаются на месте другим лазером. Этот лазер эффективно охлаждает атомы, превращая их в оптическую патоку - облако, которое почти полностью застыло на одном месте.

Главный лазер часов (тот, который колеблется 429 триллионов раз в секунду) светит на это облако. Когда основной лазер тикает на нужной частоте, атомы поглощают часть света. По словам Эппли, так ученые узнают, что лазер работает с правильной частотой - не слишком быстро и не слишком медленно.

Время гравитации

Поскольку новые атомные часы настолько точны, они являются мощным инструментом для измерения влияния гравитации на время. Пространство, время и гравитация тесно связаны, отмечает Эппли. Общая теория относительности Эйнштейна объясняет, почему это так.

 

Чтобы проверить предсказание Эйнштейна, команда исследователей разделила пучок атомов новых часов на две части и расположила их в миллиметре друг от друга. Ученые сразу заметили, как различно тикает главный лазер часов на двух близких локациях.

Исследователи обнаружили разницу во времени в сто квадриллионную долю секунды. Для группы атомов, расположенных в «верхней» части часов, время текло быстрее, чем для такой же группы, расположенной ниже. Что и предсказывает теория Эйнштейна.

DHgate WW

В прошлом для подобных измерений требовались одинаковые часы, расположенные на разной высоте. Например, в 2010 году ученые NIST использовали этот метод для измерения замедления времени на расстоянии в 33 сантиметра между контрольными группами атомов.

Новые часы обеспечивают более точное измерение, говорит Эппли. Это связано с тем, что разница в высоте между двумя массивами атомов может быть очень маленькой и при этом хорошо известной.

"Если бы нужно было построить часы для измерения времени на разных высотах, было бы очень трудно определить вертикальное расстояние между ними, по крайней мере, с точностью более одного миллиметра", - объясняет физик.

В конструкции с одними часами ученые могут делать снимки верхней и нижней слоев атомов, сохраняя расстояние между ними.

Современные методы визуализации, отмечает Эппли, позволяют получать изображения с расстоянием гораздо меньшим, чем миллиметр. Таким образом, будущие часы смогут измерять эффект замедления времени на еще меньших расстояниях. Возможно, даже на таком маленьком, как расстояние между соседними атомами.