Fyzici z amerického výzkumného střediska JILA potvrdili obecnou teorii relativity Alberta Einsteina, přesněji řečeno efekt zvaný dilatace času, v dosud nejmenším měřítku. Vědci dokázali, že dvoje malé atomové hodiny, které od sebe dělí byť pouhý milimetr, tikají různou rychlostí.

Experimenty popsané v časopise Nature mj. popisují způsob, jak bude možné vyrobit až 50x přesnější atomové hodiny. Nové objevy by mohly pomoci s propojením teorií a ukázat, jak relativita a gravitace interagují s kvantovou mechanikou, což je jeden z dlouhodobých problémů současné fyziky.

„Nejdůležitějším a nejzajímavějším výsledkem je, že můžeme potenciálně propojit kvantovou fyziku s gravitací, například zkoumat složitou fyziku, když jsou částice rozmístěny na různých místech v zakřiveném časoprostoru,“ řekl Jun Ye, pracovník NIST/JILA. JILA společně provozují Národní institut pro standardy a technologie (NIST) a Coloradská univerzita v Boulderu. „Pro měření času to také ukazuje, že neexistuje žádná překážka, která by bránila výrobě 50x přesnějších hodin než máme k dispozici dnes.“

Einsteinovy teorie nestárnou. Potvrzují je i nejpřesnější měření. Foto: Pixabay

Einsteinova obecná teorie relativity z roku 1915 popisuje vztahy, jako je gravitační vliv na čas, a má důležité praktické využití, například pro korekci měření družic GPS. Přestože je tato teorie stará více než sto let, fyziky stále fascinuje. Vědci z NIST používají atomové hodiny jako senzory pro stále přesnější měření teorie relativity, což může pomoci konečně vysvětlit, jak se prolíná s kvantovou mechanikou, která je udává pravidla pro subatomární svět.

Dilatace času v dosud nejmenším měřítku

Podle obecné teorie relativity tikají atomové hodiny v různých výškách v gravitačním poli různou rychlostí. Frekvence záření atomů se snižuje – posouvá se směrem k červenému konci elektromagnetického spektra – když jsou pozorovány v silnější gravitaci, blíže k Zemi. To znamená, že hodiny v nižších výškách „tikají“ pomaleji. Tento jev byl opakovaně prokázán; například fyzikové z NIST jej změřili v roce 2010 porovnáním dvou nezávislých atomových hodin, z nichž jedny byly umístěny 33 cm nad druhými.

Výzkumníci z JILA nyní změřili frekvenční posuny mezi horní a dolní částí jediného vzorku asi 100 000 ultrachladných atomů stroncia vložených do optické mřížky, což je laboratorní zařízení podobné dřívějším atomovým hodinám této skupiny. V tomto případě má mřížka, kterou si lze představit jako vrstvy vytvořené laserovými paprsky, neobvykle velké, ploché a tenké vrstvy, které jsou tvořeny méně intenzivním světlem, než se běžně používá. Tato konstrukce snižuje deformace v mřížce běžně způsobené rozptylem světla a atomů, homogenizuje vzorek a prodlužuje vlny hmoty atomů, jejichž tvary udávají pravděpodobnost nalezení atomů na určitých místech. Energetické stavy atomů jsou tak dobře řízeny, že všechny tikaly mezi dvěma energetickými hladinami v přesném souladu po dobu 37 sekund, což je rekord v tzv. kvantové koherenci.

Vědci použili lasery a atomy stroncia a vytvořili velmi přesné atomové hodiny. Foto: Se souhlasem Jacobson/NIST

Zásadní význam pro nové výsledky měla inovace Yeovy skupiny v oblasti zobrazování, která poskytla mikroskopickou mapu rozložení frekvencí v celém vzorku, a jejich metoda porovnávání dvou oblastí mraku atomů namísto tradičního přístupu, kdy se používají dvoje samostatné hodiny.

Rozdíl byl nepatrný, v řádu 0,0000000000000000001, což odpovídá odhadům. I když jsou tyto rozdíly příliš malé na to, aby je člověk mohl přímo vnímat, mají velký vliv na vesmír i na technologie, jako je GPS. Výzkumný opakoval svá měření a výsledkem byla 50krát lepší přesnost měření než u jakýchkoliv dříve použitých atomových hodin.

Ze světa fyziky:

• Miony: Odhalí záchvěvy elementárních částic novou fyziku?
• Kanibalismus ve vesmíru aneb pohlcující se hvězdy
• NASA posílá do vesmíru atomové hodiny, zahájí éru samořiditelných kosmických lodí?

Přesnější atomové hodiny mohou sloužit jako mikroskopy pro hledání temné hmoty

„Jedná se o zcela novou hru, nový režim, ve kterém lze zkoumat kvantovou mechaniku v zakřiveném časoprostoru,“ řekl Ye. „Kdybychom dokázali změřit červený posuv ještě 10krát lépe než nyní, byli bychom schopni vidět celé vlny hmoty atomů napříč zakřivením časoprostoru.“

Přesnější atomové hodiny mají mnoho možných aplikací i mimo měření času a navigaci. Ye naznačuje, že atomové hodiny mohou sloužit jak jako mikroskopy pro pozorování nepatrných souvislostí mezi kvantovou mechanikou a gravitací, tak jako teleskopy pro pozorování nejhlubších koutů vesmíru. Hodiny vědec používá k hledání záhadné temné hmoty, o níž se předpokládá, že tvoří většinu hmoty ve vesmíru. Atomové hodiny mají také potenciál zlepšit modely a pochopení tvaru Země díky aplikaci vědy o měření zvané relativistická geodézie.

Zdroje: 1, 2, 3