Гравітація поводиться з часом, як із жуйкою. Що сильніше тяжіння, то повільніше тече час. Він ніби розтягується в просторі, створюючи іншу, незвичну для нас фізичну реальність.
Використовуючи новий атомний годинник, вчені виміряли уповільнення часу на найкоротшій відстані - лише один міліметр.
Експеримент проводили з масивом атомів стронцію, що ще цікавіше з огляду на безжурні дискусії про "непремірімость" загальної теорії відносності та квантової механіки.
Загальна теорія відносності Альберта Ейнштейна передбачає, що там, де гравітація сильніша, час тече повільніше. Це називається уповільненням часу. Гравітація сильніша в центрі Землі. Тому, згідно з Ейнштейном, там час має йти повільніше, ніж на поверхні планети. І, треба сказати, експерименти це підтвердили.
Новий атомний і старий дідусевий годинник
Чжун Йе очолював дослідницьку групу, яка спробувала виміряти час у мікромасштабах. Він фізик із Національного інституту стандартів і технологій.
Здатність нового атомного годинника відчувати крихітні зміни гравітації робить його потужним інструментом для фундаментальних досліджень. З його допомогою можна відстежувати навіть зміни клімату.
Також цей годинник може допомогти прогнозувати виверження вулканів і складати карту Землі.
За словами творців, їхня конструкція відкриває шлях до створення атомного годинника, який буде ще більш надточним. Йе і його колеги описали свої результати в журналі Nature.
Новий атомний годинник - це "велика, розрізнена система з безліччю різних компонентів", - каже Олександр Епплі. Він аспірант у команді Йе в Університеті Колорадо. Загалом, новий годинник займає дві кімнати і містить дзеркала, вакуумні камери та вісім лазерів.
Усі годинники складаються з трьох основних компонентів. Перший - це те, що ходить вперед-назад, або осцилює. Потім є лічильник, який відстежує кількість коливань.
За словами Епплі, дідусевий годинник допомагає уявити, як усі ці частини працюють разом. У ньому є маятник, який коливається з регулярним інтервалом - раз на секунду. Після кожного коливання лічильник переводить секундну стрілку годинника вперед. Після шістдесяти коливань лічильник переводить вперед хвилинну стрілку. І так далі.
Історично так склалося, що полуденне сонце слугувало еталоном визначення точного часу.
"Атомний годинник складається з тих самих трьох компонентів, але його масштаб значно відрізняється, - пояснює Епплі. - Коливання контролюються лазером. Цей лазер має електричне поле, і воно неймовірно швидко змінюється - 429 трильйонів разів на секунду. Занадто швидко для електроніки. Тому в атомному годиннику як лічильник використовується спеціальний лазерний пристрій - частотна гребінка.
Оскільки лазер атомного годинника ділить час на такі крихітні інтервали, він може дуже точно відстежувати хід часу. Подібний хронометр потребує надточного еталона. Наприклад, поведінка атомів.
У серці годинника знаходиться хмара зі 100 000 атомів стронцію. Вони укладені вертикально й утримуються на місці іншим лазером. Цей лазер ефективно охолоджує атоми, перетворюючи їх на оптичну патоку - хмару, яка майже повністю застигла на одному місці.
Головний лазер годинника (той, що коливається 429 трильйонів разів на секунду) світить на цю хмару. Коли основний лазер цокає на потрібній частоті, атоми поглинають частину світла. За словами Епплі, так вчені дізнаються, що лазер працює з правильною частотою - не надто швидко і не надто повільно.
Час гравітації
Оскільки новий атомний годинник настільки точний, він є потужним інструментом для вимірювання впливу гравітації на час. Простір, час і гравітація тісно пов'язані, зазначає Еплі. Загальна теорія відносності Ейнштейна пояснює, чому це так.
Щоб перевірити передбачення Ейнштейна, команда дослідників розділила пучок атомів нового годинника на дві частини і розташувала їх за міліметр один від одного. Учені одразу помітили, як по-різному цокає головний лазер годинника на двох близьких локаціях.
Дослідники виявили різницю в часі у сто квадрильйонну частку секунди. Для групи атомів, розташованих у "верхній" частині годинника, час плинув швидше, ніж для такої ж групи, розташованої нижче. Що і передбачає теорія Ейнштейна.
У минулому для подібних вимірювань був потрібен однаковий годинник, розташований на різній висоті. Наприклад, у 2010 році вчені NIST використовували цей метод для вимірювання уповільнення часу на відстані в 33 сантиметри між контрольними групами атомів.
Новий годинник забезпечує більш точне вимірювання, каже Епплі. Це пов'язано з тим, що різниця у висоті між двома масивами атомів може бути дуже маленькою і при цьому добре відомою.
"Якби потрібно було побудувати годинник для вимірювання часу на різних висотах, було б дуже важко визначити вертикальну відстань між ними, принаймні, з точністю понад один міліметр", - пояснює фізик.
У конструкції з одним годинником вчені можуть робити знімки верхнього і нижнього шарів атомів, зберігаючи відстань між ними.
Сучасні методи візуалізації, зазначає Епплі, дають змогу отримувати зображення з відстанню набагато меншою, ніж міліметр. Таким чином, майбутній годинник зможе вимірювати ефект уповільнення часу на ще менших відстанях. Можливо, навіть на такій маленькій, як відстань між сусідніми атомами.
