Атомные часы JILA измеряют общую теорию относительности Эйнштейна в миллиметровом масштабе

Прочитано: 117 раз(а)
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, среднее: 5,00 из 5)
Loading ... Loading ...


Физики JILA измерили общую теорию относительности Альберта Эйнштейна, или, более конкретно, эффект, называемый замедлением времени, в наименьшем масштабе, когда-либо существовавшем, показав, что два крошечных атомных часа, разделенных всего миллиметром или шириной острого кончика карандаша, тикают в разные тарифы.

Эксперименты, описанные в выпуске журнала Nature от 17 февраля, показывают, как сделать атомные часы в 50 раз более точными, чем лучшие сегодняшние конструкции, и предлагают путь к, возможно, раскрытию того, как относительность и гравитация взаимодействуют с квантовой механикой , что является основным затруднением в физике.

JILA совместно управляется Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Колорадо в Боулдере.

«Самый важный и захватывающий результат заключается в том, что мы потенциально можем связать квантовую физику с гравитацией, например, исследуя сложную физику, когда частицы распределяются в разных местах искривленного пространства-времени», — сказал научный сотрудник NIST/JILA Джун Е. «Для хронометража это также показывает, что нет никаких препятствий для того, чтобы сделать часы в 50 раз более точными, чем сегодня, и это фантастическая новость».

Общая теория относительности Эйнштейна 1915 года объясняет крупномасштабные эффекты, такие как гравитационное влияние на время, и имеет важные практические приложения, такие как корректировка спутниковых измерений GPS. Хотя этой теории более века, физики по-прежнему очарованы ею. Ученые NIST использовали атомные часы в качестве датчиков для более точного измерения относительности, что может помочь наконец объяснить, как ее эффекты взаимодействуют с квантовой механикой, сводом правил для субатомного мира.

Согласно общей теории относительности, атомные часы на разных высотах в гравитационном поле идут с разной скоростью. Частота излучения атомов уменьшается — смещается в сторону красного конца электромагнитного спектра — при наблюдении в условиях более сильной гравитации, ближе к Земле. То есть часы тикают медленнее на более низких высотах. Этот эффект неоднократно демонстрировался; например, физики NIST измерили его в 2010 году, сравнив два независимых атомных часа, один из которых был расположен на 33 сантиметра (около 1 фута) над другим.

Исследователи из JILA теперь измерили частотные сдвиги между верхней и нижней частью одного образца из примерно 100 000 ультрахолодных атомов стронция, загруженных в оптическую решетку, лабораторную установку, аналогичную более ранним атомным часам группы.. В этом новом случае решетка, которую можно представить как стопку блинов, созданных лазерными лучами, имеет необычно большие, плоские и тонкие лепешки, и они образованы менее интенсивным светом, чем обычно. Эта конструкция уменьшает искажения в решетке, обычно вызываемые рассеянием света и атомов, гомогенизирует образец и удлиняет волны вещества атомов, форма которых указывает на вероятность нахождения атомов в определенных местах. Энергетические состояния атомов настолько хорошо контролируются, что все они тикают между двумя энергетическими уровнями в точном унисон в течение 37 секунд, что является рекордом для того, что называется квантовой когерентностью.

Решающее значение для новых результатов имело инновационное решение группы Ye , которое предоставило микроскопическую карту распределения частот по образцу, и их метод сравнения двух областей атомного облака, а не традиционный подход с использованием двух отдельных часов.

Измеренное красное смещение в облаке атомов было крошечным, в районе 0,000000000000000000001, что согласуется с предсказаниями. (Хотя эти различия слишком малы для того, чтобы люди могли их воспринимать напрямую, они в сумме оказывают серьезное влияние на Вселенную, а также на такие технологии, как GPS.) Исследовательская группа быстро устранила эту разницу для экспериментов такого типа примерно за 30 минут усреднения данных. После 90 часов данных их точность измерений была в 50 раз выше, чем при любом предыдущем сравнении часов.

«Это совершенно новая игра, новый режим, в котором можно исследовать квантовую механику в искривленном пространстве-времени», — сказал Йе. «Если бы мы могли измерить красное смещение в 10 раз даже лучше, чем это, мы смогли бы увидеть волны всей материи атомов, пересекающие кривизну пространства-времени. Возможность измерить разницу во времени в таком мельчайшем масштабе могла бы позволить нам обнаружить, например, что гравитация нарушает квантовую когерентность, что может лежать в основе того, почему наш макромасштабный мир является классическим».

У лучших часов есть множество возможных применений, помимо хронометража и навигации. Йе предполагает, что атомные часы могут служить как микроскопами, чтобы увидеть крошечные связи между квантовой механикой и гравитацией, так и телескопами, чтобы наблюдать за самыми глубокими уголками Вселенной. Он использует часы для поиска таинственной темной материи , которая, как считается, составляет большую часть материи во Вселенной. Атомные часы также предназначены для улучшения моделей и понимания формы Земли посредством применения науки об измерениях, называемой релятивистской геодезией.

Атомные часы JILA измеряют общую теорию относительности Эйнштейна в миллиметровом масштабе



Новости партнеров