Milimetr może wydawać się, że jest to niewiele. Ale nawet tak mała odległość może zmienić upływ czasu.
Zgodnie z teorią grawitacji Einsteina, ogólną teorią względności, zegary tykają tym szybciej, im dalej są od Ziemi lub innego masywnego obiektu. Teoretycznie powinno się to sprawdzać nawet w przypadku bardzo małych różnic wysokości zegarów. Teraz niezwykle czuły zegar atomowy wykrył to przyspieszenie w milimetrowej próbce atomów, ujawniając efekt przy mniejszej różnicy wysokości niż kiedykolwiek wcześniej. Czas poruszał się nieco szybciej na górze tej próbki niż na dole, donoszą naukowcy.
„To fantastyczne”, mówi fizyk teoretyczny Marianna Safronova z Uniwersytetu Delaware w Newark, która nie była zaangażowana w badania. „Myślałam, że dojście do tego punktu zajmie znacznie więcej czasu”. Niezwykła precyzja pomiaru zegara atomowego sugeruje możliwość wykorzystania czułych zegarków do testowania innych podstawowych pojęć w fizyce.
Nieodłączna właściwość atomów pozwala naukowcom używać ich jako zegarków. Atomy istnieją na różnych poziomach energii, a określona częstotliwość światła powoduje, że przeskakują z jednego poziomu na drugi. Ta częstotliwość – tempo poruszania się fal świetlnych – służy temu samemu celowi, co regularnie tykająca sekunda zegara. W przypadku atomów znajdujących się dalej od ziemi czas biegnie szybciej, więc do skoku energii potrzebna będzie większa częstotliwość światła. Wcześniej naukowcy mierzyli to przesunięcie częstotliwości, znane jako grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, na różnicy wysokości 33 centymetrów.
W nowym badaniu fizyk Jun Ye z JILA w Boulder w stanie Kolorado wraz z kolegami zastosował zegar złożony z około 100 000 ultrazimnych atomów strontu. Atomy te były ułożone w siatkę, co oznaczało, że znajdowały się na szeregu różnych wysokości, jakby stały na szczeblach drabiny. Mapowanie, jak częstotliwość zmieniała się na tych wysokościach, ujawniło zmianę. Po skorygowaniu o efekty niegrawitacyjne, które mogłyby przesunąć częstotliwość, częstotliwość zegara zmieniła się o jedną setną biliardowej części milimetra, czyli tyle, ile można się spodziewać zgodnie z ogólną teorią względności.
Co więcej, po zebraniu danych przez około 90 godzin, porównując tykanie górnej i dolnej części zegara, naukowcy ustalili, że ich technika może mierzyć względne tempo tykania z dokładnością do 0,76 milionowych części bilionowej procenta. To sprawia, że jest to rekord dla najbardziej precyzyjnego porównania częstotliwości, jakie kiedykolwiek przeprowadzono.
W powiązanym badaniu, inny zespół naukowców załadował atomy strontu do określonych części sieci, aby stworzyć sześć zegarów w jednym. „To, co zrobili, jest bardzo ekscytujące” – mówi Safronova.
Shimon Kolkowitz z University of Wisconsin-Madison i współpracownicy zmierzyli względne tempo tykania dwóch zegarów, oddzielonych o około sześć milimetrów, z dokładnością do 8,9 milionowych części bilionowej procenta. Dzięki tej czułości naukowcy mogli wykryć różnicę między dwoma zegarami tykającymi w tak nieco innym tempie, że po około 300 miliardach lat nie zgodziliby się o zaledwie jedną sekundę. Zegar Ye mógł wykryć jeszcze mniejszą rozbieżność między dwiema połówkami zegara jednej sekundy nagromadzonej przez około 4 biliony lat. Chociaż zespół Kolkowitza nie zmierzył jeszcze grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni, konfiguracja może zostać wykorzystana do tego w przyszłości.
Autorzy obu badań odmówili komentarza, ponieważ artykuły nie przeszły jeszcze procesu recenzowania.
Dokładność pomiarów wskazuje na przyszłe możliwości, mówi fizyk teoretyczny Victor Flambaum z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Sydney. Na przykład „zegary atomowe są teraz tak precyzyjne, że można ich używać do wyszukiwania ciemnej materii” – mówi. Ta ukryta, niezidentyfikowana substancja czai się niewidocznie w kosmosie; niektóre hipotetyczne typy ciemnej materii mogą zmieniać tykanie zegarów. Naukowcy mogli również porównać zegary atomowe wykonane z różnych izotopów – atomów o różnej liczbie neutronów w jądrach – co może wskazywać na nieodkryte nowe cząstki. A zegary atomowe mogą badać, czy fundamentalne stałe przyrody mogą się zmieniać.
Zdolność do precyzyjnego porównywania różnych zegarów jest również ważna dla głównego celu pomiaru czasu: aktualizacji definicji sekundy. Długość sekundy jest obecnie określana przy użyciu zegarów atomowych wcześniejszej generacji, które nie są tak dokładne, jak nowsze, stosowane w dwóch nowych badaniach.
„Zegary mają przed sobą bardzo świetlaną przyszłość” – mówi Safronova.
