Nowy zegar atomowy pozwala mierzyć zakrzywienie czasu na coraz krótszych dystansach
Przestrzeń, czas i grawitacja są ze sobą ściśle związane. Według ogólnej teorii względności Einsteina tam, gdzie grawitacja jest większa, czas płynie wolniej. To tak zwana dylatacja czasu.
Naukowcy od dawna próbują zmierzyć wpływ grawitacji na czas w przestrzeni. Każdy kolejny eksperyment przynosi zmniejszenie dystansu w pomiarach. Ostatni rekord, który udało się osiągnąć, to pomiar na dystansie jednego milimetra.
Choć możemy znaleźć pewne analogie do tradycyjnego zegara z wahadłem, pod względem wielkości nijak ma się do zegarów, które znamy. Nowe urządzenie zajmuje dwa pomieszczenia i zawiera lustra, komory próżniowe i osiem laserów.
W tradycyjnym zegarze wahadło porusza się w regularnych odstępach czasu. Po sześćdziesięciu oscylacjach (każda trwa 1 sekundę), wskazówka minutowa przesuwa się do przodu. Podobnie działa zegar kwantowy, tyle że oscylację zapewnia w nim laser posiadający pole elektryczne krążące z niewyobrażalnie dużą prędkością 429 bilionów razy na sekundę. Aby móc policzyć ten ruch potrzebne jest urządzenie zwane grzebieniem częstotliwości bazujące na laserze.
W konstrukcji nowego lasera użyto 100 000 atomów strontu ułożonych pionowo i przytrzymywanych przez inny laser, który schładza je by były nieruchome. Główny laser zegara świeci na chmurę atomów, te pochłaniają część jego światła.
W celu zbadania różnic czasu na niewielkim odcinku naukowcy podzielili stos atomów na dwie części oddalone od siebie dokładnie o 1 mm. Pozwoliło to zmierzyć prędkość "tykania" nowego zegara na dwóch różnych wysokościach.
Według teorii Einsteina potwierdzonych eksperymentalnie, czas powinien płynąć wolniej bliżej wnętrza Ziemi. Eksperyment wykazał, że na wysokości dolnej części stosu atomów czas wpłynął o jedną stubiliardową sekundy wolniej niż na wysokości górnego stosu.
W 2010 roku, aby zmierzyć różnicę czasu na odległości około 33 centymetrów (1 stopa) wykorzystano dwa identyczne zegary atomowe. Jednak według zespołu badaczy, wykorzystanie w tym celu jednego zegara i ustawianie w nim odległości daje dużo bardziej precyzyjne wyniki.
Co więcej, kolejne zegary mają pozwolić na pomiar czasu na znacznie mniejszych odległościach niż milimetr, jak choćby odległość pomiędzy dwoma atomami. Zejście do tak małej skali będzie otarciem się o fizykę kwantową i próbą spojrzenia jak grawitacja ma się do świata kwantowego.
Choć przy obecnej wielkości urządzenie nie jest zbyt poręczne, naukowcy już mówią o przyszłych, bardziej kompaktowych zegarach atomowych. Będzie można je wykorzystać do przewidywania trzęsień Ziemi, erupcji wulkanów, dokładniejszego pomiaru wysokości lub w systemach pozycjonowania.
Źródło: T. Bothwell et al. Resolving the gravitational redshift in a millimetre-scale atomic sample. Nature. Vol 602, February 16, 2022, pp. 420. doi: 10.1038/s41586-021-04349-7.
