Атомен часовник от ново поколение доказа гравитационното забавяне на времето

Гравитацията е основната сила във Вселената. Именно тя удържа планетите в орбита около Слънцето. Тя удържа Луната в земна орбита, създава звезди и планети, като привлича веществото, от което те са съставени. Едно от най-интересните неща е, че гравитацията може да привлича и светлината. Това бе открито от Алберт Айнщайн, който описа гравитацията като изкривяване на пространство-времето - тя обгръща всеки космически обект, включително звездите и планетите. Според Общата теория на относителността (ОТО), времето се движи по-бавно близо до обектите с много голяма маса, понеже тяхната гравитация изкривява пространствено-времевия континуум, тъй като пространството и времето са неразривно свързани. Наскоро в популярния научен журнал Nature бе публикувана интересна статия. Нейните автори твърдят, че атомните часовници, намиращи се на разстояние само няколко сантиметра един от друг, измерват различни скорости на времето - точно както бе предсказал Айнщайн.

Как е устроена Вселената

Да започнем с това, че в основата на съвременната физика лежат четирите фундаментални сили на природата:

• Електромагнетизъм - физическото взаимодействие, което протича между електрически заредените частици
• Слабо ядрено действие - физическото взаимодействие на разпада на атомните ядра
• Силното ядрено взаимодействие - физическото взаимодействие, в което участват кварки и глуони, както и съставените от тях частици адрони
• Гравитацията - универсалното фундаментално взаимодействие между материалните тела, притежаващи маса. В същото време гравитацията е най-слабата от всички съществуващи сили

Въпреки, че гравитацията е най-слабата от четирите основни сили, именно тя определя как е устроена Вселената в глобален мащаб на ниво планети и галактики. Поради тази причина гравитацията изглежда като универсална сила, но на практика това не е така.

На практика Общата теория на относителността описва гравитацията не просто като сила, а и като геометрия. Гравитацията според Айнщайн е следствие от това по какъв начин материята изкривява пространствено-времевия континуум. Гениалният физик дори е предполагал, че съществуват гравитационни вълни, понеже масивните космически обекти не само изкривяват пространство-времето, но и могат да създават гравитационни вълни в него. Това се случва при сблъсъка на два гигантски космически обекта, като например две черни дупки.

Гравитацията и забавянето на времето

Важен момент е, че принципите на теорията на относителността не се съчетават с квантовата механика, която разглежда Вселената на ниво взаимодействие между елементарните частици. Несъвместимостта на тези две теории е един от най-големите проблеми на съвременната наука. Но физиците постепенно на,ират начини да се справят с това противоречие.

За да могат да се приближат до създаването на така наречената единна теория на полето и да проникнат във всички тайни на Вселената, изследователите решиха да се фокусират върху гравитационното забавяне на времето. Интересно е, че този удивителен феномен не противоречи на постулатите на квантовата механика - и там времето под въздействието на силна гравитация променя своя ход.

Досега това бе доказано чрез измерване забавянето на времето с помощта на два атомни часовника, разположени един над друг на разстояние 33 см. Дори на толкова малко разстояние тези часовници успяват да засекат промените в гравитацията. Но разполагането на два атомни часовника, разположени близо не един над друг, а един до друг, досега бе твърде трудно. Поради тази причина авторите на това изследване са разработили съвсем нови часовници, специално предназначени за този експеримент.

Атомните часовници

Атомният часовник е най-точният прибор за измерване на времето. Тези устройства се състоят от няколко модула, както и от специфична електроника, която се грижи за тяхната стабилна и точна работа. Въпреки че атомните часовници са сложни устройства, те се произвеждат и използват в почти всяка държава. Сами по себе си тези прибори не са тежки, но техните размери не са малки, понеже измерването на една секунда време се базира на осцилацията на атомите на цезия.

В рамките на тази научна работа, публикувана в списание Nature, учените значително са намалили размера на атомните часовници. Това е станало възможно благодарение на замяната на всички механични детайли чрез използването на съвсем нов подход - определяне на електромагнитното излъчване на атомите на цезия чрез възбуждането им с помощта на лазерен лъч.

Новите атомни часовници, специално създадени от учените, се състоят от 15 независими измерителни прибора, отдалечени един от друг на разстояние 6 микрона. С помощта на това ново устройство изследователите могат да контролират движението на частиците и да измерват честотата на осцилация на облака от няколко стотици хиляди атома стронций-87 слой по слой. Самият стронций-87 е захванат в специален светлинен капан.

"Най-важният и вълнуващ резултат от нашата работа е възможността да свържем квантовата физика с гравитацията. Това е възможно понеже частиците по различен начин са разпределени в различните места на изкривеното от масата пространство-време" - заяви Йе Джун, един от участниците в този интересен експеримент.

Учените са стигнали до извода, че гравитационното забавяне на времето ще може да се наблюдава и при микроскопичните обекти, които се подчиняват на законите на квантовата механика. Този експеримент показа, че няма каквито и да било препятствия за създаването на нов тип часовници, които могат да работят 50 пъти по-точно от всичките използване към днешен ден подобни устройства.

По този начин, базирайки се на един от изводите на Общата теория на относителността на Айнщайн, че времето в гравитационно поле с различна сила и при движение с голяма скорост тече нееднородно, физиците успяха на практика да покажат съществуването на гравитационното забавяне на времето. Оказа се, че то оказва влияние на хода на часовника в пълно съответствие с предсказаното от теорията на относителността.

Новите аспекти

Този невероятен резултат е само началото. Същият екип физици възнамерява да повиши точността на измерване използвайки нов тип атомен часовник, които ще даде възможност да се наблюдава по какъв начин гравитацията оказва влияние върху сложните квантови системи. Тези модернизирани атомни часовници ще позволят да се постигнат много по-точни данни в бъдещите подобни изследвания.

Очакват се невероятно интересни открития. Новото поколение свръхточни атомни часовници се очаква да постави началото на пътя към решаването на една от най-сложните задачи във физиката и най-после да бъде създадена Теорията на единното поле.

Очакванията са новите атомни часовници да помогнат на астрофизиците да открият тайнствената тъмна материя, масата на която превишава масата на обикновеното вещество с съотношение 5:1.

Благодарение на изключителната точност на измерване атомните часовници могат да се използват за картографиране на вътрешните структури на нашата планета, понеже могат да измерват гравитацията с невероятна точност. Тези нови научни инструменти наистина могат да се окажат ключа към разкриването на нови тайни в областта на физиката.