اثبات نسبیت عام با استفاده از ساعت اتمی

ممکن است میلی متر زیاد به نظر نرسد. اما حتی یک فاصله کوچک می تواند جریان زمان را تغییر دهد.

بر اساس نظریه گرانش انیشتین، نسبیت عام، ساعتها هر چه از زمین یا یک جسم عظیم دیگر دورتر باشند، سریعتر تیک می خورند. از نظر تئوری، این باید حتی برای تفاوت های بسیار کوچک در ارتفاع ساعت ها صادق باشد. اکنون یک ساعت اتمی فوق‌العاده حساس این سرعت را در یک نمونه میلی‌متری از اتم‌ها مشاهده کرده است که تأثیر آن را در اختلاف ارتفاع کمتر از همیشه نشان می‌دهد. محققان در 24 سپتامبر گزارش دادند که زمان در بالای آن نمونه کمی سریعتر از پایین تر حرکت کرد.

یک ویژگی ذاتی اتم ها به دانشمندان اجازه می دهد از آنها به عنوان ساعت استفاده کنند. اتم ها در سطوح مختلف انرژی وجود دارند و فرکانس خاصی از نور باعث می شود از سطحی به سطح دیگر بپرند. برای اتم های دورتر از زمین ، زمان سریعتر می گذرد ، بنابراین فرکانس بیشتری از نور برای پرش انرژی مورد نیاز است. پیش از این ، دانشمندان این تغییر فرکانس، را در اختلاف ارتفاع 33 سانتی متر اندازه گیری کرده بودند.

در مطالعه جدید، فیزیکدان Jun Ye از JILA در Boulder، Colo.، و همکارانش از ساعتی متشکل از تقریباً 100000 اتم استرانسیوم فوق سرد استفاده کردند. آن اتم‌ها در شبکه‌ای چیده شده بودند، به این معنی که اتم‌ها در ارتفاع‌های مختلف مانند ایستادن روی پله‌های نردبان قرار داشتند. ترسیم چگونگی تغییر فرکانس در آن ارتفاعات یک تغییر را نشان داد. پس از تصحیح اثرات غیر گرانشی که می تواند فرکانس را تغییر دهد ، فرکانس ساعت در حدود یک صدم چهارملیارد درصد بر میلی متر تغییر کرد ، این مقدار فقط بر اساس نسبیت عام انتظار می رود.

علاوه بر این، پس از جمع‌آوری داده‌ها برای حدود 90 ساعت و مقایسه تیک تاک بخش‌های بالایی و پایینی ساعت، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که روش آنها می‌تواند نرخ تیک تاک نسبی را با دقت 0.76 میلیونم یک تریلیونم اندازه‌گیری کند. این باعث می شود که رکورد دقیق ترین مقایسه فرکانس انجام شده تا کنون انجام شود.

شیمون کلکوویتز از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و همکارانش نرخ تیک تاک نسبی دو ساعت را که در حدود شش میلیمتر از هم جدا شده بودند، با دقت 9/8 میلیونیم تریلیونم اندازه گرفتند که خود یک رکورد جدید می بود.با این حساسیت، دانشمندان می‌توانستند تفاوت بین دو ساعت را که با سرعت کمی متفاوت تیک‌ می‌کنند، تشخیص دهند که پس از حدود ۳۰۰ میلیارد سال تنها یک ثانیه با هم اختلاف داشته باشند. ساعت Ye’s می‌تواند اختلاف کمتری را بین دو نیمه ساعت یک ثانیه‌ای که در طول تقریباً 4 تریلیون سال جمع‌آوری شده است، تشخیص دهد. اگرچه تیم کلکوویتز هنوز جابه‌جایی گرانشی به سرخ را اندازه‌گیری نکرده است، اما می‌توان از این تنظیمات در آینده برای آن استفاده کرد.

ویکتور فلامبام، فیزیکدان نظری از دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی، می گوید که دقت اندازه گیری ها به احتمالات آینده اشاره می کند. به عنوان مثال، او می‌گوید: «ساعت‌های اتمی اکنون آنقدر دقیق هستند که می‌توان از آن‌ها برای جستجوی ماده تاریک استفاده کرد. این ماده پنهان و ناشناخته به طور نامرئی در کیهان کمین کرده است. انواع فرضی خاصی از ماده تاریک می تواند تیک ساعت ها را تغییر دهد. دانشمندان همچنین می‌توانند ساعت‌های اتمی ساخته شده از ایزوتوپ‌های مختلف - اتم‌هایی با تعداد نوترون‌های مختلف در هسته‌شان - را که ممکن است به ذرات جدید کشف‌نشده اشاره کند، مقایسه کنند. و ساعت های اتمی می توانند بررسی کنند که آیا ثابت های اساسی طبیعت ممکن است متفاوت باشند

توانایی مقایسه دقیق ساعت‌های مختلف نیز برای هدف اصلی زمان‌سنجی مهم است: به‌روزرسانی تعریف ثانیه. طول یک ثانیه در حال حاضر با استفاده از نسل قبلی ساعت‌های اتمی تعریف می‌شود که به اندازه ساعت‌های جدیدتر مانند موارد استفاده شده در دو مطالعه جدید دقیق نیستند.

"آینده بسیار درخشانی برای ساعت ها وجود دارد."

منبع An atomic clock measured how general relativity warps time across a millimeter