Fyzici měří gravitační časový posun s přesností na jeden milimetr

Tok času není tak konzistentní, jak bychom si mohli myslet – gravitace jej zpomaluje, takže hodiny na povrchu Země tikají pomaleji než ty ve vesmíru. Nyní vědci změřili čas plynoucí různými rychlostmi na pouhém jednom milimetru, což je dosud nejmenší vzdálenost.

Myšlenku, že čas bude ovlivněn gravitací, poprvé navrhl Albert Einstein v roce 1915 jako součást své teorie obecné relativity. Prostor a čas jsou neoddělitelně spjaty a velké masy deformují strukturu časoprostoru svým nesmírným gravitačním vlivem. To má za následek, že čas plyne pomaleji blíže k velké hmotě, jako je planeta, hvězda nebo v nejextrémnějším příkladu černá díra. Tento jev je známý jako dilatace času.

Zde na Zemi dilatace času efektivně znamená, že se čas pohybuje rychleji ve vyšších nadmořských výškách. Například na vrcholu Mount Everestu čas plyne rychleji než na hladině moře, ale platí to i na menší vzdálenosti – někdo bydlící v bytě v 10. patře stárne rychleji než někdo v prvním patře a vaše hlava stárne rychleji než vaše chodidla.

Rozdíly v plynutí času na těchto vzdálenostech jsou samozřejmě tak nepatrné, že jsou nepozorovatelné, ale lze je měřit pomocí atomových hodin, které velmi přesně udržují čas pomocí spolehlivých tikání atomů. Porovnáním atomových hodin na satelitech a letadlech s těmi na zemi se vědcům podařilo změřit dilataci času na vzdálenosti až tisíce kilometrů. Ale v nové studii vědci z JILA změřili dilataci času na dosud nejmenší vzdálenost – pouhý jeden milimetr.

K provedení tohoto měření tým použil atomové hodiny složené z ultrachladného mraku asi 100 000 atomů stroncia. „Tikání“ hodin pochází z přepínání atomů tam a zpět mezi dvěma úrovněmi energie, což dělají na extrémně spolehlivé frekvenci. Díky pečlivé kontrole těchto energetických stavů byl tým schopen zajistit, aby všechny atomy v oblaku tikaly v dokonalém unisonu po dobu 37 sekund, což je rekordní doba.

V těchto konkrétních atomových hodinách byly atomy vloženy do optické mřížky, která je uspořádala do několika tenkých vrstev jako stoh palačinek. Jakmile atomy tikaly unisono, vědci použili extrémně přesné zobrazovací techniky k měření tikotu v horní části zásobníku ve srovnání se spodním.

A skutečně, zjistili rozdíl mezi těmito dvěma regiony kvůli dilataci času. Posun frekvencí byl samozřejmě nepatrný, pouze 0,0000000000000000001, ale byl měřitelný.

Tým říká, že tato práce by mohla nejen pomoci učinit atomové hodiny 50krát přesnějšími, než jsou nyní, ale mohla by otevřít nové nástroje pro zkoumání záhad fyziky. V současné době nelze gravitační sílu vysvětlit z hlediska kvantové fyziky, ale schopnost měřit její účinky na stále menších měřítcích by mohla odhalit její tajemství a možná odhalit chybějící spojení mezi kvantovou a klasickou fyzikou.

„Nejdůležitějším a vzrušujícím výsledkem je, že můžeme potenciálně propojit kvantovou fyziku s gravitací, například zkoumáním složité fyziky, když jsou částice distribuovány na různých místech v zakřiveném časoprostoru,“ řekl Jun Ye, hlavní autor studie. „Schopnost změřit časový rozdíl na tak minutovém měřítku by nám mohla umožnit například zjistit, že gravitace narušuje kvantovou koherenci, což by mohlo být základem toho, proč je náš svět v makroměřítku klasický.“

Výzkum byl publikován v časopise Příroda. Tým vysvětluje práci ve videu níže.

Zdroj: NIST