Fyzikom sa podarilo dosiahnuť niečo neuveriteľné. Dokázali zmerať rozdiel plynutia času na úrovni iba jedného milimetra. Na tému upozornil portál ScienceAlert.

Aktualizácia 17. februára 2022

Atómové hodiny sú doposiaľ najpresnejšie hodiny, aké sa ľudstvo podarilo vymyslieť. Platí však, že nie všetky atómové hodiny sú rovnaké a nie všetky „tikajú“ rovnako presne. Tie najlepšie majú odchýlku len 1 sekundu na 15 miliárd rokov, čo znamená, že ak by sme ich spustili pri Veľkom tresku, nemeškali by teraz ani o jednu celú sekundu.

Čas je však pojem relatívny. Pred relativistickou fyzikou Alberta Einsteina sa časom a priestorom zaobchádzalo ako s oddelenými rozmermi. Einstein  však spojil čas a priestor a ukázal, že ak ľudia cestujú rozličnými rýchlosťami, namerajú odlišné časy.

Dilatácia času je experimentálne overený poznatok špeciálnej teórie relativity, ktorý platí pre všetky objekty, ktoré sa vzhľadom na pozorovateľa pohybujú veľkou rýchlosťou, alebo sa nachádzajú v silnom gravitačnom poli.

Už dlhé roky to potvrdzujú aj mnohé laboratórne experimenty. Ten najpresnejší z nich sa pritom odohral iba pred pár mesiacmi a výsledky z neho teraz sú publikované v prestížnom žurnále Nature.

Ako píše portál ScienceAlert, za toto jedinečné meranie vďačíme fyzikom z laboratória JILA, ktorým sa podarilo zmerať rozdiel plynutia času na úrovni iba jedného milimetra.

S publikovaním štúdie v  recenzovanom žurnále sa autorom „rozviazal jazyk“ a prezardili ďalšie nové informácie, ktoré doposiaľ držali pod rúškom tajomstva.

Ukázalo sa, že toto jedinečné merania sa podarilo vďaka tomu, že atómy v milimetrovom oblaku „tikali“ medzi dvoma energetickými úrovňami v dokonalej harmónii celých 37 sekúnd. Ide tak o rekord z hľadiska kvantovej koherencie – udržiavania stabilného kvantového stavu.

To im umožnilo zmerať červený posun v oblaku atómov stroncia a zistiť, že hodnota červeného posunu medzi vrchnou a spodnou časťou oblaku je 0.0000000000000000001.  Uvedené je v súlade s predpoveďami Einsteinovej teórie.

Experni tvrdia, že ak sa im podarí zmerať červený posun ešte 10-krát presnejšie ako teraz, budú schopní pozorovať celú De Broglieho vlnu atómu naprieč zakriveným časopriestorom. Len pre zaujímavosť, toto meranie bolo 50-krát presnejšie ako ktorékoľvek iné podobné meranie.

Vedci by tým dokázali vedu posunúť do úplne iných rozmerov a skúmať kvantovú mechaniku v zakrivenom časopriestore. Zmerať rozdiel v plynutí času na takejto úrovni by mohlo viesť napríklad k poznatku, že gravitácia narúša kvantovú koherenciu, čím by sa objasnilo aj to, prečo sa náš makrosvet správa podľa klasickej fyziky a nie tej kvantovej.

Pôvodný článok

Paradox dvojčiat

Jeden z dobre známych myšlienkových experimentov v rámci špeciálnej teórie relativity, známy ako paradox dvojčiat, hovorí o tom, že ak jedno z dvojčiat cestuje vesmírnou loďou rýchlosťou svetla, zatiaľ čo to druhé čaká na Zemi, bude sa zdať, že dvojča cestujúce rýchlosťou svetla je mladšie ako to, ktoré zostalo na Zemi.

Ako píše QuantaMagazine na svojom webe, rovnako ako rýchlosť, tak i gravitácia ovplyvňuje plynutie času. Podľa všeobecnej teórie relativity Zem, čierna diera, alebo akékoľvek masívne teleso deformuje časopriestor spôsobom, ktorý spomaľuje čas.

Pri hľadaní rozdielu plynutia času nemusíme chodiť veľmi ďaleko a vysielať niekoho do vesmíru rýchlosťou svetla. Stačilo by, ak by jedno z dvojčiat žilo na úrovni hladiny mora a druhé na vrchole Everestu. Vzhľadom na to, že na vrchole Everestu je gravitačná príťažlivosť Zeme o niečo slabšia ako na úrovni mora, dvojča, ktoré by žilo na vrchole, by zostarlo rýchlejšie.

Hoci rozdiel by bol minimálny, je dostatočne veľký na to, aby sa dal zmerať. Fyzikom sa však tento rozdiel podarilo posunúť úplne do iných rozmerov.

Rekordné meranie

V novej štúdii, ktorá zatiaľ neprešla recenzným posudkom, zverejnenej na predtlačovom serveri arXiv, odborníci z laboratória JILA, amerického Národného inštitútu pre štandardy a technológie a univerzity v Colorade totiž dokázali pomocou špeciálne navrhnutých atómových hodín zmerať rozdiel plynutia času na milimetrovej škále.

Presnejšie dokázali zmerať gravitačný červený posun, teda jav, pri ktorom elektromagnetické vlny, fotóny,  vystupujúce z gravitačnej studne (koncepčný model gravitačného poľa obklopujúceho telesá vo vesmíre) strácajú energiu. Táto strata energie zodpovedá zníženiu vlnovej frekvencie a zvýšeniu vlnovej dĺžky. Opačný efekt,  pri ktorom fotóny získavajú energiu pri prechode do gravitačnej studne je známy ako gravitačný modrý posun.

Práca je obrovským skokom k štúdiu fyziky na „priesečníku“ všeobecnej relativity a kvantovej mechaniky, ktoré sú síce obe platné, no navzájom nezlučiteľné.

Ako píše portál ScienceNews, fyzici využili špeciálne hodiny pozostávajúce z približne 100 000 atómov stroncia. Tento milimeter veľký oblak atómov bol ochladený na ultranízku teplotu, vďaka čomu boli atómy takmer nehybné.

Následne sa výskumníci pozreli cez kameru na oblak atómov a nakreslili dve imaginárne políčka okolo hornej a dolnej polovice oblaku. Po 92 hodinách pozorovania týchto miniatúrnych hodín porovnali frekvenciu „tikania“ hornej a dolnej polovice a zistili, že čas v hornej časti oblaku je o 0,00000000000000001 % kratší, ako čas v spodnej časti. Ide zatiaľ o najpresnejšie porovnanie frekvencií, aké kedy bolo uskutočnené.

Samozrejme pri samotnom meraní sa vedci uistili, že do výpočtu nie sú zahrnuté akékoľvek účinky, ktoré nemajú gravitačný charakter.

Vzhľadom na to, že predtým vedci dokázali merať gravitačný červený posun s výškovým rozdielom 33 centimetrov, ide o obrovský skok vpred. Podľa fyzikov je toto meranie svojim spôsobom krokom k spojeniu všeobecnej teórie relativity a kvantovej mechaniky.

Bližšie informácie by autori mali poskytnúť až keď ich štúdia prejde recenzným posudkom a bude publikovaná v recenzovanom žurnále.