Jak najdokładniejszy zegar na świecie może zmienić podstawową fizykę – 16.02.2022 o 21:24

Zegar atomowy, jeden z najdokładniejszych zegarów na świecie, na Uniwersytecie Boulder w Kolorado (NIST/Handout)

Naukowcom udało się zaobserwować ogólną teorię względności Einsteina w najmniejszej skali, jaką kiedykolwiek próbowano, udowadniając, że dwa zegary tykają bardzo nieznacznie, gdy dzieli je zaledwie ułamek milimetra.

Według Jun Ye z University of Boulder w Kolorado jest to „zdecydowanie” najdokładniejszy zegarek, jaki kiedykolwiek powstał. I może utorować drogę nowym odkryciom w mechanice kwantowej, która rządzi światem subatomowym.

Badacz i jego koledzy opublikowali swoje wyniki w środę w prestiżowym czasopiśmie Nature, opisując postęp techniczny, który umożliwił im stworzenie obiektu 50 razy dokładniejszego niż ich poprzedni zegarek, który pobił rekord dokładności już w 2010 roku.

Ogólna teoria względności Einsteina, zgodnie z którą pole grawitacyjne bardzo dużego obiektu zniekształca czasoprzestrzeń, pochodzi z 1915 roku. Zgodnie z tą teorią czas zwalnia w miarę zbliżania się do ważnej masy.

Ale to zostało zweryfikowane dopiero dużo później dzięki wynalezieniu zegarów atomowych, które mierzą czas poprzez wykrywanie przejścia atomów do wyższego stanu energetycznego, gdy są wystawione na określoną częstotliwość.

W 1976 roku jeden z eksperymentów polegał na wysłaniu zegara w kosmos, który okazał się być o 1 sekundę szybszy co 73 lata niż jego odpowiednik na Ziemi.

Od tego czasu zegary stały się dokładniejsze, a co za tym idzie lepsze w wykrywaniu skutków teorii względności.

Dziesięć lat temu zespół Jun Ye pobił rekord, zauważając różnicę czasu, gdy ich zegarek został podniesiony 33 cm w górę.

– „Teoria wszystkiego” –

Przełomem Jun Ye była praca z tak zwanymi zegarami „siatki optycznej”, wykorzystującymi lasery do chwytania atomów w określony sposób. Ta technika zapobiega ich upadkowi z powodu grawitacji lub ruchu, co może spowodować utratę dokładności.

Wewnątrz nowego zegarka znajduje się 100 000 atomów strontu, ułożonych w kilka warstw, o łącznej wysokości jednego milimetra.

Zegar jest tak dokładny, że kiedy tę grupę podzielono na dwie połowy, naukowcy byli w stanie wykryć różnice czasu między górną a dolną połową.

Na tym poziomie czułości zegarki działają jak sondy.

„Czas i miejsce są ze sobą powiązane” — powiedział AFP Jun Ye. „A dzięki tak dokładnemu pomiarowi czasu można zobaczyć, jak przestrzeń zmienia się w czasie rzeczywistym – Ziemia jest żywym, dynamicznym ciałem”.

Takie zegary mogą na przykład umożliwiać w regionach wulkanicznych odróżnienie twardych skał podpowierzchniowych od lawy, a tym samym pomóc w przewidywaniu erupcji wulkanicznych.

Albo zbadaj, jak globalne ocieplenie powoduje topnienie lodowców i podnoszenie się poziomu mórz.

Ale to, co najbardziej ekscytuje Jun Yi, to rola, jaką te zegary mogą odgrywać w fizyce.

Dzisiejszy zegar może wykryć różnicę czasu większą niż 200 mikrometrów – ale obniżenie tej liczby do 20 może zbadać świat kwantowy i pomóc wypełnić pewne teoretyczne luki.

Jeśli teoria względności pięknie wyjaśnia, jak zachowują się duże obiekty, takie jak planety czy galaktyki, jest to niezgodne z mechaniką kwantową, która zajmuje się bardzo małymi rzeczami.

Przecięcie tych dwóch pól może umożliwić zrobienie kolejnego kroku w kierunku „teorii wszystkiego” zdolnej do wyjaśnienia wszystkich zjawisk fizycznych wszechświata.