Atominiu laikrodžiu išmatuotas bendrojo reliatyvumo poveikis laikui vieno milimetro atstumu

Milimetras neatrodo daug. Bet netgi tokiu mažu atstumu laiko tėkmės pokytį galima užfiksuoti.

Remiantis Einšteino gravitacijos teorija – bendrąja reliatyvumo teorija, – toliau nuo Žemės ar kito masyvaus objekto esantys laikrodžiai eina greičiau (SN: 10/4/15). Teoriškai tai turėtų pasireikšti netgi esant labai mažiems laikrodžio stovėjimo aukščio skirtumams. Dabar neįtikėtinai tiksliu atominiu laikrodžiu šis pagreitėjimas užfiksuotas milimetro storio atomų mėginyje, taip nustatant naują mažiausią aukščių skirtumą. Laikas ėjo truputį greičiau bandinio viršuje, nei apačioje, pranešė tyrėjai rugsėjo 24 d. arXiv.org svetainėje.

„Tai fantastika,” sako su tyrimu nesusijusi fizikos teoretikė Marianna Safronova iš Delawaro universiteto Niuarke. „Maniau, tokio tikslumo reikės laukti daug ilgiau.“ Toks ekstremalus atominio laikrodžio matavimo tikslumas rodo tokių jautrių laiko matavimo prietaisų potencialą tikrinti kitas fundamentalias fizikos koncepcijas.

Dėl pačios atomų prigimties mokslininkai gali juos naudoti laiko matavimui. Atomai turi daug skirtingų energijos lygmenų, ir konkretaus dažnio spinduliavimas priverčia atomo elektronus peršokti iš vieno lygmens į kitą. Šis dažnis — šviesos bangų svyravimo sparta — atlieka įprasto laikrodžio švytuoklės vaidmenį. Toliau nuo žemės esantiems atomams laikas eina greičiau, todėl norint perkelti į aukštesnį lygmenį, reikės didesnio dažnio spinduliavimo. Anksčiau mokslininkams buvo pavykę išmatuoti 33 centimetrų skirtumu vykstantį dažnio pokytį (SN: 9/23/10).

Naujame turime fizikas Jun Ye iš JILA Boulderyje, Kolorado valstijoje su kolegomis naudojo laikrodį iš maždaug 100 000 ultrašaltų stroncio atomų. Šie atomai buvo išsidėstę gardelėje, tad buvo skirtingame aukštyje, lyg ant kopėčių pakopų. Matuojant dažnių pokyčius kintant aukščiui, išryškėjo pokytis. Atsižvelgus į dažnį galėjusius pakeisti, bet su gravitacija nesusijusius efektus, paaiškėjo, kad laikrodžio tiksėjimo dažnis pasikeitė maždaug viena šimtąja kvadrilijonosios procento dalies per milimetrą, kaip ir aprašo BRT.

Negana to, palyginę per maždaug 90 valandų surinktus aukštesnės ir žemesnės laikrodžio sekcijos duomenis, mokslininkai nustatė, kad jų technika būtų galima išmatuoti santykinius tiksėjimo skirtumus 0,76 milijonųjų trilijonosios procento dalies tikslumu. Tai tiksliausias kada nors atliktas dažnių palyginimas.

Susijusiame tyrime, irgi tą pačią dieną paskelbtame arXiv.org, kita tyrėjų komanda stroncio atomus išdėliojo į konkrečias gardelės pozicijas, taip sukurdami šešis laikrodžius viename. „Tai, ką jie atliko, irgi labai jaudina,“ sako Safronova.

Shimon Kolkowitz iš Wisconsin–Madison universiteto su kolegomis išmatavo dviejų laikrodžių, esančių už šešių milimetrų vienas nuo kito, tiksėjimo dažnių skirtumą 8,9 milijonųjų trilijonosios procento dalies tikslumu, kas būtų naujas rekordas, jei ne Ye grupės pasiekimas. Tokiu tikslumu mokslininkai galėtų aptikti dviejų laikrodžių tiksėjimo dažnio skirtumą, kuris pasiektų vieną sekundę tik po ~300 milijardų metų. Ye laikrodžiu galima būtų aptikti dar mažesnį neatitikimą – vienos sekundės skirtumas susidarytų tik per maždaug 4 trilijonus metų. Nors Kolkowitzo komanda gravitacinio raudonojo poslinkio dar neišmatavo, jų įranga tai atlikti galima.

Abiejų tyrimų autoriai nuo komentarų susilaikė, nes straipsniai kol kas recenzuojami.

Skirtingų laikrodžių tikslaus palyginimo svarbi ir pagrindiniam laiko matavimo tikslui: sekundės apibūdinimui atnaujinti (SN: 3/24/21). Dabar sekundės trukmė apibrėžiama senesnės kartos atominiais laikrodžiais, kurie nėra tokie tikslūs, kaip naudoti šiuose dviejuose tyrimuose (SN: 5/20/19).

„Šių laikrodžių ateitis labai šviesi,“ pažymi Safronova.

Emily Conover
www.sciencenews.org