Ατομικό ρολόι επιβεβαιώνει την γενική θεωρία της σχετικότητας σε αποστάσεις χιλιοστού. An atomic clock measured how general relativity warps time across a millimeter

Ένα ατομικό ρολόι εξαιρετικής ακρίβειας συνέδεσε τον κβαντικό κόσμο με την βαρύτητα. Μέτρησε την γήινη βαρυτική παραμόρφωση του χωροχρόνου σε αποστάσεις χιλιοστού. Time was found to flow differently between the top and bottom of a single cloud of atoms. Physicists hope that such a system will one day help them combine quantum mechanics and Einstein’s theory of gravity. Credit: Ana Kova/Quanta Magazine

Η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν μας λέει ότι ο ρυθμός των ρολογιών εξαρτάται από την βαρύτητα (ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως βαρυτική ερυθρή μετατόπιση). Ένα ρολόι τοποθετημένο σε κάποιο υψόμετρο χτυπά γρηγορότερα σε σχέση με ένα ρολόι στην επιφάνεια της Γης, όπου η ένταση του πεδίου βαρύτητας είναι λίγο μεγαλύτερη. Μπορεί αυτές οι χρονικές διαφορές να είναι ελάχιστες αλλά οι φυσικοί κατάφεραν να τις μετρήσουν χρησιμοποιώντας ατομικά ρολόγια.

Atomic clocks (one shown in a composite image) keep time by measuring the frequency of light that initiates a jump between energy levels in atoms. This atomic clock, located at JILA, is similar to the one used in the new research by Jun Ye and colleagues, and uses laser light to hold strontium atoms in a lattice. YE GROUP AND BAXLEY/JILA

Μια εγγενής ιδιότητα των ατόμων επιτρέπει τους επιστήμονες να τα χρησιμοποιούν ως ρολόγια. Mετρούν τον χρόνο παρακολουθώντας τις ταλαντώσεις ατόμων καθώς μεταπηδούν ανάμεσα σε δύο ενεργειακές στάθμες εξαιτίας της διέργερσης από μια συγκεκριμένη συχνότητα φωτός και της επακόλουθης αποδιέγερσης. Η συχνότητα της ταλάντωσης είναι εξαιρετικά σταθερή και τα άτομα λειτουργούν έτσι ως μετρονόμοι. Για άτομα που βρίσκονται σε μεγαλύτερο ύψος από το έδαφος, ο χρόνος τρέχει πιο γρήγορα, επομένως θα χρειαστεί μεγαλύτερη συχνότητα φωτός για να γίνει το ενεργειακό άλμα. Παλαιότερα, οι επιστήμονες είχαν μετρήσει με το τρόπο αυτό χρονικές διαφορές, μεταξύ δύο σημείων με υψομετρική διαφορά 33 εκατοστών.

Clocks at different heights tick at different rates. An atomic clock has now revealed this key feature of the general theory of relativity on a scale of a millimeter. HIROSHI WATANABE/GETTY IMAGES PLUS

Τώρα σύμφωνα με την πρόσφατη δημοσίευση των ερευνητών Jun Ye et al [Resolving the gravitational redshift within a millimeter atomic sample], μετρήθηκε η χρονική διαφορά μεταξύ δυο σημείων με υψομετρική διαφορά ενός χιλιοστού!

Η διαφορά της έντασης του γήινου βαρυτικού πεδίου μεταξύ δυο σημείων των οποίων η υψομετρική διαφορά είναι 1 χιλιοστό μπορεί να φαίνεται μηδαμινή, όμως είναι σίγουρα διάφορη του μηδενός. Επομένως σύμφωνα με την γενική σχετικότητα η ροή του χρόνου στο πάνω σημείο θα είναι ελάχιστα διαφορετική σε σχέση με το χαμηλότερο. Το πειραματικό επίτευγμα των ερευνητών της προαναφερθείσας εργασίας ήταν ότι κατάφεραν να μετρήσουν μια τέτοια τερατωδώς ελάχιστη διαφορά.

Το ατομικό ρολόι στο εργαστήριο του Jun Ye. Η γαλάζια δέσμη λέιζερ διεγείρει το νέφος ατόμων στροντίου. The atomic clock in Jun Ye’s laboratory features a blue laser beam that excites a cloud of strontium atoms inside the round window. Credit: G.E. Marti/JILA

Χρησιμοποίησαν ένα ατομικό ρολόι από περίπου 100.000 άτομα στροντίου σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες (100 nK). Αυτά τα άτομα ήταν διατεταγμένα σε ένα πλέγμα, που σημαίνει ότι τα άτομα βρίσκονταν σε μια σειρά διαφορετικών υψών – σαν να στέκονταν στα σκαλοπάτια μιας μικροσκοπικής σκάλας. Η καταγραφή του τρόπου με τον οποίο άλλαζε η συχνότητα σε διαφορετικά ύψη αποκάλυψε μια μετατόπιση. Μετά την διόρθωση για τα μη βαρυτικά φαινόμενα που θα μπορούσαν να μετατοπίσουν τη συχνότητα, διαπίστωσαν ότι ο χρόνος που βιώνουν τα πάνω άτομα είναι κατά 0,000000000000000001% μικρότερος από τον χρόνο που βιώνουν τα άτομα που βρίσκονται ένα χιλιοστό χαμηλότερα, όπως ακριβώς προβλέπει η γενική θεωρία της σχετικότητας.

Έτσι, η κβαντική φυσική στην οποία βασίζεται η λειτουργία του ατομικού ρολογιού, επιβεβαιώνει με εκπληκτική ακρίβεια μια πρόβλεψη της γενικής σχετικότητας. Εν τω μεταξύ η γενική σχετικότητα και η κβαντομηχανική είναι δυο θεωρίες που εξακολουθούν να είναι προκλητικά ασύμβατες μεταξύ τους!

Πηγές:  An atomic clock measured how general relativity warps time across a millimeter - An Ultra-Precise Clock Shows How to Link the Quantum World With Gravity - https://physicsgg.me/2021/10/27/