Mokslo ir technologijų pasaulis

Tiksliausi laikrodžiai tikrina pagrindinį Einšteino reliatyvumo teorijos principą: laikas nėra absoliutus. Bet koks šio principo pažeidimas galėtų reikšti ilgai ieškomą teoriją, apjungiančią Einšteino idėjas su kvantų mechanika.

Specialusis reliatyvumas remiasi Lorentzo nekintamumu, simetrija, pagal kurią fizikos dėsniai dviems vienas kito atžvilgiu pastoviu greičiu judantiems stebėtojams yra tokie patys. Viena to pasekmė – jie užfiksuotų, kad jų laikrodžiai eina skirtinga sparta. Kiekvienas stebėtojas laikytų save nejudančiu ir matytų, kad kito stebėtojo laikrodis eina lėčiau – šis efektas vadinamas reliatyvistiniu laiko sulėtėjimu.

Einšteino bendrasis reliatyvumas šį efektą aprašo – skirtingame gravitaciniame lauke laikas turėtų eiti skirtingai.

Porą dešimtmečių GPS palydovuose esančių atominių laikrodžių rodmenų palyginimas su likusiųjų Žemėje, padėjo šį poveikį patikrinti – ir jis visada pasitvirtindavo. Bet kadangi bet koks nukrypimas nuo reliatyvumo būtų labai menkas, galbūt jo aptikimui reikia tikslesnių instrumentų.

Daugelis atominių laikrodžių remiasi elektronų, keičiančių energijos lygmenį cezio-133 atomuose, skleidžiamo mikrobangų spinduliavimo dažniu. Naujos kartos laikrodžių, kuriuose naudojami stroncio atomai, tikslumas bent jau tris kartus didesnis, sekundės netikslumas galėtų susidaryti per 15 milijardų metų.

„Lorentzo invariantiškumo pažeidimas galėtų nurodyti reliatyvumo ir kvantų mechanikos apjungimo būdą”

Pacôme Delva su kolegomis iš Paryžiaus observatorijos stroncio laikrodžiu patikrino laiko tėkmės greičio pokytį. Naudojant su optinius kabelius, vieną – tarp Londono ir ir Paryžiaus, ir kitą – tarp Paryžiaus ir Braunschweigo, Vokietijoje, buvo patikrinti šiose vietose esantys įrenginiai.

Kadangi šie laikrodžiai yra skirtingose Žemė paviršiaus vietose, jie juda skirtingais greičiais, ir reliatyvumas leidžia labai tiksliai prognozuoti jų patiriamus laiko tėkmės greičio pokyčius. Pavyzdžiui, arčiau pusiaujo esantis laikrodi turėtų tiksėti lėčiau už esantį arčiau Šiaurės ašigalio. Per vieną dieną laikrodžių Paryžiuje ir Londone rodmenys turėtų skirtis 5 nanosekundėmis.

Norėdama juos sutikrinti, komanda sinchronizavo lazerius su kiekvieno laikrodžio stroncio atomų spinduliavimo dažniu. Tada jie pasiuntė spindulius šviesolaidžiu, kad lazerio spindulių interferencinis piešinys išduotų bet kokį dažnių skirtumą, rodant, kad vienas laikrodis tiksi sparčiau nei kitas.

Išmatavusi rezultatus, komanda apskaičiavo vadinamąjį alfa parametrą, kuris turėtų būti lygus nuliui, jei Lorentzo invariantiškumas nepažeidžiamas. Naujausi rezultatai rodo, kad alfa yra mažiau nei 10⁻⁸ – toks rezultatas dviem dydžio eilėmis geresnis už gautą eksperimentais, naudojant cezio laikrodžius, ir dvigubai tiksliau, nei ankstesnė nustatyta riba, gauta, tiriant elektronų perėjimus ličio jonuose, judančiuose trečdaliu šviesos greičio (arxiv.org/abs/1703.04426v1).

Vykdant eksperimentus ilgiau, tikslumą galima dar labiau padidinti, pažymi komandos narys Jochen Kronjäger iš JK nacionalinės fizikos laboratorijos Teddingtone.

„Pirmoji Lorentzo invariantiškumo pažeidimo aptikimo pasekmė būtų ta, kad niekas nepatikėtų“

Tad, kol kas reliatyvumui viskas gerai. Bet kaip reaguotų fizikai, jei kada nors Lorentzo invariantiškumas būtų išmatuotas? „Pirmoji pasekmė būtų ta, kad niekas nepatikėtų,“ sako Sabine Hossenfelder, Frankfurto pažangiųjų tyrimų instituto teoretikė.

Tačiau, jei pažeidimas kada nors būtų patvirtintas, tokio atradimo pasekmės būtų didžiulės. „Gravitacijos kvantavimas, tamsiosios materijos ir tamsiosios energijos [prigimtis] – trys didieji klausimai, kuriuose Lorentzo invariantiškumo pažeidimas suteiktų itin svarbias užuominas apie juos pagrindžiančią teoriją,“ pažymi ji.

Anil Ananthaswamy
newscientist.com