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, пишет Альтернативная наука.
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.
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.
"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.
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.