Fizycy z JILA zmierzyli ogólną teorię względności Alberta Einsteina, a dokładniej efekt zwany dylatacją czasu, w najmniejszej skali w historii, pokazując, że dwa malutkie zegary atomowe, oddzielone zaledwie milimetrem lub szerokością ostrej końcówki ołówka, tykają różne stawki.
Eksperymenty, opisane w Nature z 17 lutego, sugerują, jak zrobić zegary atomowe 50 razy bardziej precyzyjne niż dzisiejsze najlepsze konstrukcje i oferują drogę do odkrycia, jak teoria względności i grawitacji współdziałają z mechaniką kwantową, co jest głównym problemem w fizyce.
JILA jest wspólnie obsługiwana przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) oraz University of Colorado Boulder.
„Najważniejszym i najbardziej ekscytującym wynikiem jest to, że możemy potencjalnie połączyć fizykę kwantową z grawitacją, na przykład badając złożoną fizykę, gdy cząstki są rozmieszczone w różnych miejscach zakrzywionej czasoprzestrzeni”, powiedział Jun Ye, członek NIST/JILA. „Jeśli chodzi o pomiar czasu, pokazuje to również, że nie ma przeszkód w tworzeniu zegarów 50 razy bardziej precyzyjnych niż obecnie – co jest fantastyczną wiadomością”.
Ogólna teoria względności Einsteina z 1915 r. wyjaśnia efekty wielkoskalowe, takie jak wpływ grawitacji na czas, i ma ważne zastosowania praktyczne, takie jak korygowanie pomiarów satelitarnych GPS. Chociaż teoria ta ma ponad sto lat, fizycy pozostają nią zafascynowani. Naukowcy z NIST wykorzystywali zegary atomowe jako czujniki do coraz dokładniejszego pomiaru względności, co może ostatecznie pomóc wyjaśnić, w jaki sposób jego efekty oddziałują z mechaniką kwantową, księgą zasad dla świata subatomowego.
Zgodnie z ogólną teorią względności zegary atomowe na różnych wysokościach w polu grawitacyjnym tykają w różnym tempie. Częstotliwość promieniowania atomów jest zmniejszona – przesunięta w kierunku czerwonego końca widma elektromagnetycznego – gdy obserwuje się ją w silniejszej grawitacji, bliżej Ziemi. Oznacza to, że zegar tyka wolniej na niższych wysokościach. Ten efekt został wielokrotnie wykazany; na przykład fizycy NIST zmierzyli go w 2010 roku, porównując dwa niezależne zegary atomowe, jeden umieszczony 33 centymetry (około 1 stopy) nad drugim.
Naukowcy z JILA zmierzyli teraz przesunięcia częstotliwości między górną i dolną częścią pojedynczej próbki około 100 000 ultrazimnych atomów strontu załadowanych do sieci optycznej, w konfiguracji laboratoryjnej podobnej do wcześniejszych zegarów atomowych grupy. W tym nowym przypadku siatka, którą można zobrazować jako stos naleśników tworzonych przez wiązki laserowe, ma niezwykle duże, płaskie, cienkie placki i są one formowane przez mniej intensywne światło niż normalnie. Taka konstrukcja zmniejsza zniekształcenia w sieci powodowane zwykle przez rozpraszanie światła i atomów, homogenizuje próbkę i wydłuża fale materii atomów, których kształty wskazują na prawdopodobieństwo znalezienia atomów w określonych miejscach. Stany energetyczne atomów są tak dobrze kontrolowane, że wszystkie poruszają się między dwoma poziomami energii dokładnie zgodnie przez 37 sekund, co jest rekordem dla tak zwanej koherencji kwantowej.
Kluczowe dla nowych wyników była innowacja obrazowania grupy Ye, która zapewniła mikroskopijną mapę rozkładu częstotliwości w próbce oraz metoda porównywania dwóch regionów chmury atomowej, zamiast tradycyjnego podejścia polegającego na użyciu dwóch oddzielnych zegarów.
Zmierzone przesunięcie ku czerwieni w chmurze atomowej było niewielkie, w zakresie 0,0000000000000000001, zgodne z przewidywaniami. (Chociaż są zbyt małe, aby ludzie mogli je bezpośrednio dostrzec, różnice sumują się w duży wpływ na wszechświat, a także na technologię, taką jak GPS.) Zespół badawczy szybko rozwiązał tę różnicę w przypadku tego typu eksperymentu, w ciągu około 30 minut uśredniania danych . Po 90 godzinach danych ich precyzja pomiaru była 50 razy lepsza niż w jakimkolwiek poprzednim porównaniu zegarów.
„To zupełnie nowa gra w piłkę, nowy reżim, w którym można badać mechanikę kwantową w zakrzywionej czasoprzestrzeni” – powiedział Ye. „Gdybyśmy mogli zmierzyć przesunięcie ku czerwieni 10 razy lepiej niż to, bylibyśmy w stanie zobaczyć fale całej materii atomów w poprzek krzywizny czasoprzestrzeni. odkryć na przykład, że grawitacja zaburza spójność kwantową, co może leżeć u podstaw tego, dlaczego nasz świat w makroskali jest klasyczny”.
Lepsze zegary mają wiele możliwych zastosowań poza pomiarem czasu i nawigacją. Ye sugeruje, że zegary atomowe mogą służyć jako oba mikroskopy do obserwowania maleńkich powiązań między mechaniką kwantową a grawitacją oraz jako teleskopy do obserwacji najgłębszych zakątków wszechświata. Używa zegarów do poszukiwania tajemniczej ciemnej materii, uważanej za większość materii we wszechświecie. Zegary atomowe są również gotowe do udoskonalenia modeli i zrozumienia kształtu Ziemi poprzez zastosowanie nauki pomiarowej zwanej geodezją relatywistyczną.
Finansowanie zapewniła Agencja Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych, Narodowa Fundacja Nauki, Departament Akceleratora Energii Kwantowych Systemów, NIST oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych.