ساعت اتمی نسبیت عام اینشتین را در مقیاس 1 میلی متر تأیید کرد - مرکز فروشگاهی

به گزارش مرکز فروشگاهی، پژوهشگران دانشگاه کلرادو بولدر به یاری آزمایشی به وسیله یک ساعت اتمی بسیار دقیق، ضمن تأیید نسبیت عام اینشتین، راستا تازه ای برای تحول فیزیک بنیادین باز کردند.

اینشتین در نظریه نسبیت عام خود مفهومی به نام اتساع زمان (Time Dilation) را پیش بینی کرد؛ اینکه دو ساعت تحت دو کشش گرانشی متفاوت، همواره با سرعت های متفاوتی کار می نمایند.

این اثر از آن موقع در بسیاری از آزمایش ها دیده شده است، اما اکنون طبق پژوهشی که در نشریه نیچر (Nature) منتشر شده، دانشمندان آن را در کوچک ترین مقیاسی که تا کنون مشاهده شده است، ثبت نموده اند. چنین نتیجه ای با استفاده از ساعت های اتمی بسیار دقیق در فاصله 1 میلی متر (تقریبا به میزان عرض نوک یک مداد تیز) به دست آمد. جمع آوری 90 ساعت داده به این تیم امکان خوانشی را داد که 50 برابر دقیق تر از هر میزان گیری مشابه قبلی بود.

البته هر چه مقیاس کوچک تر و دقیق تر باشد، برای شرح آنچه در حال وقوع است، باید بیشتر به مکانیک کوانتومی تکیه کنیم. پژوهشگران امیدوارند که خوانش های نو راهی برای آموختن بیشتر درباره چگونگی تأثیر انحنای فضا-زمان، آنچه که به عنوان گرانش تجربه می کنیم، بر ویژگی های ذرات بر اساس فیزیک کوانتومی باز کند.

جون یه (Jun Ye) فیزیکدان دانشگاه کلرادو بولدر گفت: مهم ترین و هیجان انگیزترین نتیجه این است که به طور بالقوه می توانیم فیزیک کوانتومی را با گرانش مرتبط کنیم و برای نمونه، زمانی که ذرات در مکان های مختلف در فضا-زمان منحنی توزیع می شوند، فیزیک پیچیده را آنالیز کنیم.

در این آزمایش، پژوهشگران از چیزی به نام شبکه نوری یا توری نوری (Optical Lattice) استفاده کردند، شبکه ای از نور لیزر که برای به دام انداختن اتم ها در محل استفاده می گردد تا بتوان آن ها را مشاهده کرد. این تکنیکی است که برای آخرین نسل از ساعت های اتمی استفاده می گردد و دقت بیشتری را در زمان سنجی به وسیله امواج نور لیزر ارائه می دهد. از سویی این توری ها را می توان برای شبیه سازی های کوانتومی هم استفاده کرد.

در اینجا، دو خوانش متفاوت ساعت اتمی از یک ابر اتم، در یک حالت انرژی بسیار کنترل شده، اجرا شده است. در واقع اتم ها بین دو سطح انرژی به مدت 37 ثانیه در هماهنگی کامل بودند، که یک رکورد در انسجام یا همدوسی کوانتومی (پایدار نگه داشتن حالت های کوانتومی) محسوب می گردد و این پایداری برای چنین میزان گیری هایی لازم است.

این موضوع به دانشمندان امکان داد تا خوانش های خود را در دو نقطه مجزا انجام دهند و انتقال به سرخ (سرخ گرایی) را در سراسر ابر حدود 10000 اتم استرانسیوم (Strontium) فوق سرد میزان بگیرند. سرخ گرایی تغییر فرکانس تابش اتم ها را در طول طیف الکترومغناطیسی یا به بیان دیگر، سرعت تیک تاک ساعت اتمی را نشان می دهد.

در حالی که تفاوت در انتقال به سرخ در این فاصله کوچک فقط حدود 0.0000000000000000001 بود، این با پیش بینی های نسبیت عام (General Relativity) اینشتین مطابقت دارد. زمانی که به مقیاس کل کیهان می رسید یا حتی زمانی که با سیستم هایی که احتیاج به دقت فوق العاده دارند، مانند ناوبری GPS سروکار دارید، این اختلافات می توانند تفاوت زیادی ایجاد نمایند.

یه گفت: این یک شرایط کاملا فرق دارد، شرایطی تازه که در آن مکانیک کوانتومی در فضا-زمان خمیده قابل آنالیز است. اگر بتوانیم انتقال به سرخ را 10 برابر حتی بهتر از این میزان گری کنیم، می توانیم امواج کل ماده اتم ها را در انحای فضا-زمان مشاهده کنیم. توانایی میزان گیری اختلاف زمانی در چنین مقیاس کوچکی می تواند به ما امکان دهد تا برای نمونه کشف کنیم که گرانش، همدوسی کوانتومی را مختل می نماید، که می تواند علت کلاسیک بودن دنیای مقیاس ماکرو باشد.

بخشی از چیزی که این پژوهش اتساع زمان را بسیار هیجان انگیز می نماید، این است که جهت را به سمت ساعت های اتمی بسیار دقیق تر در آینده نشان می دهد و به دانشمندان نقشه ساختی می دهد که می تواند برای میزان گیری در مقیاس های کوچک و کوچک تر بهینه گردد. ساعت های اتمی در چند دهه اخیر جهتی طولانی را طی نموده اند و با کاوش های تازه، چیزهای بیشتری هم در راه است.

عکس کاور: آزمایش میزان گیری اتساع زمان به وسیله ابر اتم استرانسیوم

Credit: Jacobson/NIST

منبع: Science Alert