Самые точные в мире атомные часы подтвердили, что замедление времени, предсказанное общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, работает в миллиметровом масштабе. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Физики не смогли объединить квантовую механику – теорию, описывающую материю в мельчайших масштабах, – с общей теорией относительности, которая предсказывает поведение объектов в самых больших космических масштабах, включая то, как гравитация искривляет пространство-время. Поскольку гравитация слаба на малых расстояниях, трудно измерить относительность в малых масштабах.
Но атомные часы, которые отсчитывают секунды, измеряя частоту излучения, испускаемого, когда электроны вокруг атома меняют энергетические состояния, могут обнаружить эти мельчайшие гравитационные эффекты.
Тобиас Ботвелл из ДЖИЛА в Боулдере, штат Колорадо, и его коллеги разделили сотни тысяч атомов стронция на “блинообразные” сгустки из 30 атомов. Они использовали оптический свет, чтобы собрать их в вертикальную стопку высотой 1 миллиметр. Затем посветили лазером на стопку и измерили рассеянный свет с помощью высокоскоростной камеры.
Поскольку атомы были расположены вертикально, гравитация Земли заставляла частоту колебаний в каждой группе сдвигаться на различную величину, эффект, называемый гравитационным красным смещением. В верхней части часов секунда измерялась на 10-19 секунд дольше, чем в нижней. Это означает, что если бы вы запустили часы для возраста Вселенной – около 14 миллиардов лет, – они бы отключились всего на 0,1 секунды, говорит член команды Jun Ye из JILA.
Именно это измерение красного смещения, рассчитанное с точностью до 21 знака после запятой, было предсказано теорией Эйнштейна. Предыдущие измерения наблюдали красное смещение в больших масштабах, сравнивая отдельные часы, но команда JILA измерила его за одни часы.
“Это первый случай, когда вместо сравнения отдельных часов на расстоянии около 30 сантиметров мы теперь смотрим в пределах одних часов”, — рассказывает Ботвелл.
Одна из причин точности часов заключается в том, что группы атомов стронция расположены близко друг к другу и обладают общими свойствами окружающей среды, такими как их тепловая среда, поэтому их легче сравнивать и отображать с помощью камеры JILA с высоким разрешением.
