Ο Αϊνστάιν περνά με άριστα τεστ διαστολής του χρόνου. Special relativity aces time trial

Το είπε ο Αϊνστάιν: Ο χρόνος κυλά πιο αργά όταν το ρολόι κινείται με μεγάλη ταχύτητα. 'Clocks' made of lithium ions helped researchers confirm the time-dilation effect predicted by Albert Einstein. Martin Poole/Getty

Μια βασική πρόβλεψη της Ειδικής Σχετικότητας του Αϊνστάιν, σύμφωνα με την οποία ο χρόνος κυλά πιο αργά στα αντικείμενα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα, έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά αρκετές φορές στο παρελθόν. Τώρα, ερευνητές στη Γερμανία αναφέρουν ότι επιβεβαίωσαν το αλλόκοτο φαινόμενο με ακρίβεια 50 έως 100 φορές μεγαλύτερη.

Η διαστολή του χρόνου

Η επίδραση της κίνησης στο χρόνο εξετάζεται συχνά με τη χρήση της παραβολής των διδύμων, η οποία έχει περίπου ως εξής: η Αντωνία και ο Αντώνης αποφασίζουν να ελέγξουν την θεωρία του Einstein, οπότε η Αντωνία επιβιβάζεται σε έναν πύραυλο το 2005 και εκτοξεύεται με 99% της ταχύτητας του φωτός προς ένα γειτονικό άστρο, που απέχει δέκα έτη φωτός. Ο Αντώνης παραμένει στη Γη. Μόλις φθάνει στον προορισμό της η Αντωνία κάνει αμέσως στροφή και κατευθύνεται πάλι προς την Γη με την ίδια ταχύτητα. Ο Αντώνης διαπιστώνει ότι το ταξίδι της διαρκεί κάτι περισσότερο από είκοσι γήινα χρόνια. Όμως η Αντωνία βιώνει τον χρόνο διαφορετικά. Για αυτήν το ταξίδι διήρκεσε λιγότερο από τρία χρόνια. Φθάνοντας πίσω στη Γη ανακαλύπτει ότι ζουν στο έτος 2025 και ο Αντώνης είναι τώρα κοντά 17 χρόνια μεγαλύτερος από εκείνη. Η Αντωνία και ο Αντώνης δεν είναι πια δίδυμοι με την ίδια ηλικία. Ουσιαστικά η Αντωνία μεταφέρθηκε κατά 17 χρόνια στο μέλλον του Αντώνη. Με μια αρκετά μεγάλη ταχύτητα θα μπορούσατε να κάνετε ένα «άλμα» σε οποιαδήποτε μελλοντική χρονολογία επιθυμείτε. Θα μπορούσατε να επισκεφθείτε το έτος 3000 ταξιδεύοντας λιγότερο από έξι μήνες ,με μοναδική προϋπόθεση η ταχύτητα σας να προσέγγιζε το 99,99999% της ταχύτητας του φωτός. Το ταξίδι στο χρόνο λειτουργεί αντίθετα από το ταξίδι στο χώρο. Η συντομότερη απόσταση μεταξύ δύο σημείων είναι η ευθεία γραμμή, δηλαδή στην καθημερινή ζωή πηγαίνετε ταχύτερα από το σημείο Α στο σημείο Β ακολουθώντας μια ευθύγραμμη διαδρομή. Αντίθετα στο ταξίδι στο χρόνο, γερνά περισσότερο εκείνος που παραμένει ακίνητος, δηλαδή ο Αντώνης ο οποίος δεν έφυγε από το σπίτι. Με άλλα λόγια απαιτείται περισσότερος χρόνος μέχρι να βιώσει ο Αντώνης το έτος 2025. Για να το εκφράσουμε διαφορετικά, η Αντωνία μειώνει θεαματικά τη χρονική διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων «Γη, έτος 2005» και «Γη, έτος 2025». Ουσιαστικά όσο πιο γρήγορα κινείται, τόσο συρρικνώνεται η χρονική διαφορά μεταξύ αυτών των δύο χωροχρονικών καταστάσεων. Ας σημειωθεί ότι η Αντωνία δεν μπορεί να επιστρέψει με αυτόν τον τρόπο να επιστρέψει στη Γη στο έτος 2012 προκειμένου να εξισώσει ξανά την ηλικία της με εκείνη του Αντώνη. Αν αναστρέψει την τροχιά της το μόνο που θα καταφέρει είναι να κάνει ένα άλλο άλμα κατά 17 χρόνια στο μέλλον του Αντώνη. Η κίνηση με μεγάλες ταχύτητες είναι ένα ταξίδι μονής κατεύθυνσης στο μέλλον. Special relativity predicts that a twin in a high-speed rocket, as viewed by his Earth-bound brother, will have a slower-ticking clock. A precise test of this time dilation, first performed in 1938, involves observing the frequency shift—or “ticking” change—in the electronic transitions of fast-moving ions. An update of this type of experiment using lithium ions has now verified special relativity’s prediction with unprecedented accuracy—a result that provides additional constraints on quantum gravity models. Relativistic time dilation derives from Lorentz invariance: a physical measurement should be independent of the orientation or speed of the lab’s reference frame. As fundamental as Lorentz invariance might sound, certain quantum gravity theories, such as string theory, predict its violation at a very small level. Physicists have therefore devised a whole host of Lorentz violation tests, one of which involves measuring time dilation. To carry out such a test, Benjamin Botermann of Johannes Gutenberg-University, Germany, and his colleagues looked for the relativistic Doppler shift in lithium ions accelerated to a third of the speed of light at the Experimental Storage Ring in Damstadt, Germany. The team stimulated two separate transitions in the ions using two lasers propagating in opposite directions with respect to the ion motion. The experiment effectively measures the shift in the laser frequencies relative to what these transition frequencies are for ions at rest. The combination of two frequency shifts eliminates uncertain parameters and allows the team to validate the time dilation prediction to a few parts per billion, improving on previous limits. The result complements other Lorentz violation tests that use higher precision atomic clocks but much slower relative velocities. This research is published in Physical Review Letters.

Το κύριο συμπέρασμα της Ειδικής Σχετικότητας, την οποία διατύπωσε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905, είναι ότι η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα ίδια για όλους τους παρατηρητές (σε αντίθεση με ό,τι συμβαίνει στην καθημερινή ζωή, όπου η ταχύτητα ενός αντικειμένου, για παράδειγμα ενός αυτοκινήτου, είναι σχετική και εξαρτάται από την ταχύτητα του παρατηρητή).

Απόρροια της θεωρίας είναι ότι ο χρόνος διαστέλλεται, δηλαδή τρέχει πιο αργά, για αντικείμενα που κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Σε ένα κλασικό θεωρητικό πείραμα, ένας αστροναύτης που ταξιδεύει στο Διάστημα με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός επιστρέφει στη Γη και βρίσκει τον δίδυμο αδελφό του πολύ πιο γερασμένο.

Πολλά από τα προηγούμενα πειράματα για την επιβεβαίωση αυτού του φαινομένου βασίζονταν στη σύγκριση ατομικών ρολογιών, από τα οποία το ένα παρέμενε στη Γη και το άλλο κινούνταν σε τροχιά.

Έπειτα από 15 χρόνια προσπαθειών, διεθνής ομάδα ερευνητών, στην οποία συμμετείχε και ο νομπελίστας γερμανός φυσικός Τέοντορ Χενς, παρουσιάζει τώρα ένα πείραμα που αυξάνει την ακρίβεια της μέτρησης κατά 50 με 100 φορές, όπως τουλάχιστον υποστηρίζουν οι ίδιοι.

Σύγκριση ατόμων λιθίου

'Time dilation' predicted by Einstein confirmed by lithium ion experiment. Giving a thrust to the "time-dilation" effect, physicists have verified a key prediction of Albert Einstein's special theory of relativity with unprecedented accuracy.

Όπως εξηγεί το Nature.com, οι ερευνητές συνέκριναν άτομα λιθίου, ορισμένα από τα οποία παρέμειναν ακίνητα ενώ τα υπόλοιπα είχαν επιταχυνθεί στο ένα τρίτο της ταχύτητας του φωτός. Στη διάρκεια του πειράματος οι επιστήμονες μέτρησαν στις δύο ομάδες ατόμων τη συχνότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια των ατόμων μεταπίπτουν σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας -η συχνότητα αυτή αποτέλεσε το «ρολόι» με το οποίο μετρήθηκε ο ρυθμός του χρόνου.

Πράγματι, η συχνότητα μετάπτωσης ήταν μικρότερη στα κινούμενα άτομα λόγω της διαστολής του χρόνου. Και το τελικό αποτέλεσμα συμφωνεί απόλυτα με τις προβλέψεις της Ειδικής Σχετικότητας, αναφέρουν οι ερευνητές στην επιθεώρηση Physical Review Letters.

Επισημαίνουν μάλιστα ότι η χρήση κινούμενων ατόμων επιτρέπει τη μέτρηση της διαστολής του χρόνου με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι τα πειράματα με ρολόγια που κινούνται σε τροχιά.

Σημαντικές πρακτικές εφαρμογές

Σε κάθε περίπτωση, τα πειράματα αυτού του είδους δεν έχουν μόνο θεωρητικό ενδιαφέρον αλλά και σημαντικές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, οι δορυφόροι του συστήματος GPS διαθέτουν ατομικά ρολόγια, στα οποία όμως ο χρόνος τρέχει λίγο πιο αργά από ό,τι στα ατομικά ρολόγια στη Γη.

Αν το σύστημα δεν λάμβανε υπόψη αυτό το σχετικιστικό φαινόμενο, το στίγμα που δίνει το GPS θα παρουσίαζε ολοένα και μεγαλύτερη απόκλιση. Σε διάστημα λίγων ημερών, η απόκλιση θα έφτανε τα δεκάδες χιλιόμετρα και το GPS θα ήταν πια ουσιαστικά άχρηστο.

Εκτός όμως από τη διαστολή του χρόνου λόγω υψηλής ταχύτητας, ο Αϊνστάιν προέβλεψε και ένα δεύτερο, παραπλήσιο φαινόμενο: τη διαστολή του χρόνου λόγω της βαρύτητας. Σύμφωνα με τη Γενική Σχετικότητα, η οποία διατυπώθηκε το 1916 και αντικατέστησε τη θεωρία του Νεύτωνα για τη βαρύτητα, ο χρόνος τρέχει πιο αργά όταν η δύναμη της βαρύτητας αυξάνεται.

Αυτό σημαίνει ότι ένα ρολόι στην επιφάνεια της Γης τρέχει πιο αργά από ό,τι ένα ίδιο ρολόι στην κορυφή του Έβερεστ, το οποίο βρίσκεται πιο μακριά από τον πυρήνα της Γης και δέχεται έτσι ασθενέστερη βαρυτική δύναμη.

Και σε αυτή την περίπτωση, ο Αϊνστάιν έχει επιβεβαιωθεί με μεγάλη ακρίβεια. Το 2010, οι φυσικοί μέτρησαν τη διαστολή του χρόνου ανάμεσα σε δύο ρολόγια με κατακόρυφη απόσταση μόλις 33 εκατοστών.