یک ساعت اتمی اندازه‌گیری کرد که نسبیت عام چگونه زمان را به اندازه یک میلی‌متر تاب می‌دهد

اتساع زمان یکی از نتایج نظریه نسبیت عام است و اثبات آن در مقیاس‌های معمول به کمک ساعت‌های اتمی که هر روزه دقیق‌تر می‌شوند، کاری شگفت‌انگیز است. اما دانشمندان چطور موفق به اندازه‌گیری این پیچ و تاب خوردن زمان شده‌اند؟

براساس نظریه گرانش اینشتین – نظریه نسبیت عام، ساعت‌ها هرچه از زمین یا یک جسم عظیم دیگر دورتر باشند، سریع‌تر تیک می‌خورند. از نظر تئوری، این مسئله باید برای تفاوت‌های بسیار کوچک در ارتفاع‌ها نیز صادق باشد. اکنون یک ساعت اتمی فوق‌العاده حساس، این سرعت گذر زمان را در نمونه‌ای از اتم‌ها به اندازه میلی‌متر مشاهده کرده است که تاثیر آن را در اختلاف ارتفاع بسیار جزئی نشان می‌دهد. محققان در 24 سپتامبر در arXiv.org گزارش دادند که زمان در این ارتفاع، کمی سریع‌تر از پایین آن حرکت می‌کند.

«ماریانا سافرونوا»، فیزیکدان نظری از دانشگاه دلاور در نیوآرک که در این تحقیق شرکت نداشت، می‌گوید: «این فوق‌العاده است. فکر می‌کردم رسیدن به این مرحله از پیشرفت بیشتر طول بکشد.» دقت بسیار زیاد اندازه‌گیری ساعت اتمی، پتانسیل استفاده از ساعت‌های حساس را برای آزمایش سایر مفاهیم اساسی در فیزیک نشان می‌دهد.

یک ویژگی ذاتی اتم‌ها به دانشمندان اجازه می‌دهد تا از آن‌ها به عنوان ساعت استفاده کنند. اتم‌ها در سطوح مختلف انرژی وجود دارند و یک فرکانس خاص نور باعث می‌شود از یک سطح به سطح دیگر بپرند. این فرکانس – نرخ مرتعش کردن امواج نور – همان کاری را انجام می‌دهد که عقربه دوم ساعت به عهده دارد. برای اتم‌های دورتر از زمین، زمان سریع‌تر می‌گذرد. بنابراین، فرکانس نور بیشتری برای پرش انرژی نیاز است. پیش از این، دانشمندان این تغییر فرکانس را که به عنوان جابجایی به سرخ گرانشی شناخته می‌شود، در یک اختلاف ارتفاع 33 سانتی‌متری اندازه‌گیری کرده بودند.

در یک مطالعه جدید، فیزیکدانان «جان یو» از JILA در Boulder، Colo و همکارانش از ساعت اتمی متشکل از صدهزار اتم استرانسیوم فوق سرد استفاده کردند. آن اتم‌ها در شبکه‌ای چیده شده بودند، به این معنا که اتم‌ها در ارتفاع‌های مختلف به گونه‌ای قرار می‌گرفتند که گویی روی پله‌های یک نردبان ایستاده‌اند. ترسیم چگونگی تغییر فرکانس در این ارتفاعات، یک تغییر را نشان داد. پس از تصحیح اثرات غیرگرانشی که می‌توانند فرکانس را تغییر دهند، فرکانس ساعت در حدود یک صدم یا یک چهارم میلیاردم درصد بیش از یک میلی‌متر تغییر کرد. این دقیقا همان نتیجه‌ای بود که نسبیت عام به صورت تئوری پیش‌بینی کرده بود.

علاوه بر این، پس از گرفتن اطلاعات برای حدود 90 ساعت و مقایسه تیک تاک بخش‌های بالایی و پایینی ساعت، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که روش آن‌ها می‌تواند نرخ تیک تاک نسبی را با دقت 0.76 میلیونم یک تریلیونم اندازه‌گیری کند. این باعث می‌شود که چنین اندازه‌گیری به یک رکورد برای دقیق‌ترین مقایسه فرکانس انجام شده، تبدیل شود.

در یک مطالعه مرتبط که همچنین در 24 سپتامبر در arXiv.org به چاپ رسید، تیم دیگری از محققان اتم‌های استرانسیم را در بخش‌های خاصی از شبکه بارگذاری کردند تا شش ساعت در یک شبکه ایجاد کردند. سافرونوا می‌گوید: «این کاری که آن‌ها انجام دادند، بسیار هیجان‌انگیز است.»

« شیمون کلکوویتز» از دانشگاه ویسکانسین-مدیسون و هکارانش نرخ تیک تاک نسبی دو ساعت که در حدود شش میلی‌متر از هم فاصله داشت، با دقت 9.8 میلیونم یک تریلیونم اندازه گرفتند که خود یک رکورد جدید به حساب می‌آید. با این حساب، دانشمندان می‌توانستند تفاوت بین دو ساعت را که با سرعت کمی متفاوت تیک می‌زنند، تشخیص دهند. آن‌ها در نهایت گزارش کردند که در حدود 300 میلیارد سال، این دو ساعت تنها یک ثانیه باهم اختلاف خواهند داشت. ساعت گروه یو، می‌تواند اختلاف کمتری را میان دو نیمه ساعت که اختلاف یک ثانیه‌ای را در طول تقریبا 4 تریلیون سال پیش‌بینی می‌کند، تشخیص دهد. اگرچه تیم کلکوویتز هنوز جابجایی گرانشی به سرخ را اندازه‌گیری نکرده است، اما می‌توان از این تنظیمات در آینده برای افزایش دقت کار نیز استفاده کرد.

نویسندگان هردو مقاله از اظهار نظر در این مسئله خودداری کردند، زیرا مقالات هنوز در مرحله داوری هستند.

«ویکتور فلامبام»، فیزیکدان نظری از دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی می‌گوید: «دقت اندازه‌گیری این ساعت‌ها می‌تواند به کشف‌های بسیاری در آینده کمک کند. به عنوان مثال، این ساعت‌ها آنقدر دقیق هستند که می‌توان از آن‌ها برای جستجوی ماده تاریک استفاده کرد. این ماده پنهان و ناشناخته به‌طرز نامرئی در کیهان کمین کرده است. انواع فرضی خاصی از ماده تاریک می‌تواند تیک ساعت‌ها را تغییر دهد. دانشمندان همچنین می‌توانند ساعت‌های اتمی ساخته شده از ایزوتوپ‌های مختلف – اتم‌هایی با تعداد نوترون‌های مختلف در هسته‌شان- را که ممکن است به ذرات جدید کشف نشده اشاره داشته باشند، برای مقایسه استفاده کنند. همچنین ساعت‌های اتمی می‌توانند بررسی کنند که آیا ثابت‌های فیزیکی واقعا ثابت هستند یا مقادیر متغیری دارند.

توانایی مقایسه دقیق ساعت‌های مختلف برای هدف اصلی، یعنی زمان‌سنجی از اهمیت بالایی برخوردار است: به روزرسانی تعریف ثانیه. طول یک ثانیه در حال حاضر با استفاده از نسل قبلی ساعت‌های اتمی تعریف می‌شود که به اندازه ساعت‌های جدیدتر مانند ساعت‌های مورد استفاده در دو نمونه مذکور دقیق نیستند.

سافرونوا می‌گوید: «آینده بسیار روشنی برای ساعت‌های اتمی وجود دارد.»