Ατομικά ρολόγια επιβεβαιώνουν τη σχετικότητα του χρόνου. Atomic clocks make best measurement yet of relativity of time

Felix Gonzalez-Torres, “Untitled” (Perfect Lovers), 1987-1990. Τι ώρα είναι; Η απάντηση είναι σχετική. Our most accurate clocks are probing a key tenet of Einstein’s theory of relativity: the idea that time isn’t absolute. Any violation of this principle could point us to a long-sought theory that would unite Einstein’s ideas with quantum mechanics.

Ο χρόνος, όπως και ο χώρος, είναι έννοιες σχετικές, είπε ο μεγάλος Άλμπερτ Αϊνστάιν. Χάρη στα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια που διαθέτουμε, διεθνής ερευνητική ομάδα υπολογίζει τώρα με εντυπωσιακή ακρίβεια πώς ο χρόνος κυλά με διαφορετικό ρυθμό στο Λονδίνο και το Παρίσι.

Οι παράγοντες εμφάνισης της «διαστολής του χρόνου»

Το φαινόμενο της «διαστολής του χρόνου» οφείλεται σε δύο διαφορετικούς παράγοντες που σχετίζονται με διαφορετικές πλευρές της Σχετικότητας. Ο πρώτος παράγοντας είναι η ταχύτητα: όπως προκύπτει από τη θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας, ένα ρολόι που κινείται με μεγάλη ταχύτητα σε σχέση με έναν παρατηρητή τρέχει πιο αργά σε σχέση με το ρολόι του παρατηρητή.

Ο δεύτερος παράγοντας είναι η βαρύτητα, όπως προκύπτει από την θεωρία της Γενικής Σχετικότητας: όταν η δύναμη της βαρυτικής έλξης αυξάνεται στο σημείο όπου βρίσκεται ο παρατηρητής, το ρολόι του θα τρέχει πιο αργά σε σχέση με το ρολόι ενός παρατηρητή που δέχεται ασθενέστερη έλξη. Με άλλα λόγια, ένα ρολόι στο κέντρο της Γης θα τρέχει πιο αργά από ό,τι ένα ρολόι στην κορυφή του Έβερεστ.

Και στις δύο περιπτώσεις, οι πειραματικές μετρήσεις της διαστολής του χρόνου (για παράδειγμα η σύγκριση ατομικών ρολογιών στη Γη και στους δορυφόρους του GPS) έχουν επιβεβαιώσει τον Αϊνστάιν με σχετικά μεγάλη ακρίβεια. Κανείς όμως δεν μπορεί να αποκλείσει το γεγονός ότι ο γίγαντας της σχετικότητας θα διαψευστεί τελικά από πιο ακριβή πειράματα.

Τα πιο ακριβή πειράματα

Υπολογίστηκε με τεράστια ακρίβεια πως ο χρόνος κυλά με διαφορετικό ρυθμό στο Λονδίνο και στο Παρίσι - άλλη μια επιβεβαίωση για τον Αϊνστάιν. Upholding Einstein, so far. Credit: Andrew Brookes, National Physical Laboratory/SPL

Τώρα, ερευνητές στη Γαλλία, τη Βρετανία και τη Γερμανία αυξάνουν τα επίπεδα ακρίβειας στο μέγιστο εφικτό: χρησιμοποίησαν ατομικά ρολόγια που βασίζονται στη συχνότητα της ακτινοβολίας που εκπέμπουν άτομα στροντίου, και είναι περίπου τρεις φορές πιο ακριβή από τα συμβατικά ατομικά ρολόγια στροντίου: χάνουν ένα δευτερόλεπτο κάθε περίπου 15 δισεκατομμύρια χρόνια, που είναι περισσότερο από την ηλικία του Σύμπαντος.

H νέα μελέτη, η οποία αναρτήθηκε στην υπηρεσία προδημοσίευσης arXiv, συγκρίνει ατομικά ρολόγια στροντίου που βρίσκονταν στο Παρίσι, το Λονδίνο και το Μπράουνσβαϊγκ της Γερμανίας. O ρυθμός του χρόνου στις τρεις τοποθεσίες τρέχει διαφορετικά επειδή κάθε πόλη έχει διαφορετική απόσταση από το κέντρο της Γης (και επομένως δέχεται διαφορετικές βαρυτικές δυνάμεις) και διαφορετική απόσταση από τον ισημερινό (και επομένως διαφορετική ταχύτητα περιστροφής γύρω από τον άξονα της Γης).

Προκειμένου να συγκριθεί ο ρυθμός του χρόνου στις τρεις τοποθεσίες, οι ερευνητές συνέδεσαν τα ρολόγια σε δίκτυα οπτικών ινών που λειτουργούσαν στις ίδιες συχνότητες με καθένα από τα ρολόγια. Κάθε διαφορά στη συχνότητα του φωτός ανάμεσα στις διαφορετικές ίνες θα υποδήλωνε διαφορές στο ρυθμό του χρόνου.

5 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου η χρονική απόκλιση

Πράγματι, οι μετρήσεις έδειξαν ότι η χρονική απόκλιση που συσσωρεύεται ανάμεσα στο Παρίσι και το Λονδίνο στη διάρκεια ενός 24ωρου φτάνει τα 5 δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Τα αποτελέσματα του πειράματος, εξηγεί το περιοδικό New Scientist, επέτρεψαν στους ερευνητές να υπολογίσουν μια παράμετρο που ονομάζεται άλφα. Η τιμή της πρέπει να είναι μηδέν αν ο Αϊνστάιν είχε απόλυτο δίκιο για τη διαστολή του χρόνου.

Το να αποδείξει κανείς ότι το άλφα ισούται με μηδέν είναι τεχνικά αδύνατο, όμως η τελευταία μελέτη δείχνει ότι η τιμή της είναι μικρότερη από 10-8 -ένα επίπεδο ακρίβειας δυο φορές μεγαλύτερο σε σχέση με προηγούμενες μετρήσεις που βασίζονταν σε ρολόγια στροντίου.

Όπως φαίνεται, το φάντασμα του Άλμπερτ Αϊνστάιν μπορεί να είναι ήσυχο, τουλάχιστον για την ώρα: αν η τιμή του άλφα μετρηθεί στο μέλλον με μεγαλύτερη ακρίβεια, και βρεθεί να μην είναι μηδέν, οι συνέπειες θα είναι πραγματικά τεράστιες.

Μεταξύ άλλων, μια τιμή πάνω από το μηδέν θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για το μεγάλο όνειρο των φυσικών, την ενοποίηση της Σχετικότητας του Αϊνστάιν με την Κβαντομηχανική. Αυτή η μέρα όμως μάλλον απέχει πολύ.

Πηγές: https://arxiv.org/pdf/1703.04426v1.pdf - http://www.tovima.gr/science/physics-space/article/?aid=870159