Fizikusok áttörést értek el a valaha volt legkisebb léptékű idődilatáció megfigyelése során

Albert Einstein általános relativitáselmélete tele van furcsa meglátásokkal a valóságunkról, de talán a legelgondolkodtatóbb az a tény, hogy...

A bizarr tachionok, amelyek képesek lehetnek adatok visszaküldésére az időben

Egy tanulmány szerint az idő a kvantumfizika által teremtett délibáb lehet

A NASA kiszámította, hogy mennyivel gyorsabban telik az idő a Holdon

Albert Einstein általános relativitáselmélete tele van furcsa meglátásokkal a valóságunkról, de talán a legelgondolkodtatóbb az a tény, hogy az erős gravitációs mezők vagy a hihetetlenül nagy sebességek eltorzíthatják az idő múlását, ez az idődilatáció néven ismert hatás.

Például az űrhajókon elhelyezett órák valamivel gyorsabban vagy lassabban ketyeghetnek, mint a földiek, sebességük és bolygónk gravitációjának időbeli torzító hatásaitól függően.

A JILA, a Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet és a Boulder-i Colorado Egyetem közös munkája egy jelentős áttörés, melynek során a valaha volt legkisebb léptékű idődilatációt mérték a világ legpontosabb óráival. A csapat kimutatta, hogy az egymástól mindössze egy milliméternyire elhelyezkedő órák - körülbelül egy ceruzahegy szélesség - kissé eltérő időt mutattak a Föld gravitációja miatt.

Az új kísérlet a ma elérhetőnél 50-szer nagyobb pontosságú órák felé nyitja meg az utat, amelyek számos gyakorlati alkalmazásra használhatók, ugyanakkor rávilágítanak univerzumunk alapvető titkaira, beleértve a régóta keresett "egységes általános relativitáselméletet és kvantummechanikát," - áll a Nature-ben megjelent tanulmányban. (1)

"Mit jelent ez, ha ilyen kis léptékben dolgozunk? Ez azt jelenti, hogy az óra pontossága jobb," - mondta Jun Ye, a JILA fizikusa, a tanulmány társszerzője. "Bizonyos értelemben azt akarjuk mondani, hogy az idő és a tér összefügg egymással. Ahogy Einstein relativitáselmélete megmondta, az idő tér, a tér az idő, és az idő relatív. Az időnek nincs abszolút fogalma."

Ye és kollégái a JILA-nál több éve feszegetik az időmérés és az általános relativitáselmélet határait egyre pontosabb atomórák tervezésével. Az inga szerepét ezekben az órákban az elektronok eltolódási frekvenciája játssza az atomokban, amelyek gondosan vannak elrendezve a kaotikus energiájuk és mozgásuk szabályozására kialakított rácsokba.

Ezek az újítások megkülönböztetik az atomórákat, mint a valaha kifejlesztett legpontosabb időmérőket, amelyek 15 milliárd év alatt mindössze egy másodpercet veszítenek, ezért használják őket a Globális Helymeghatározó Rendszerben (GPS) műholdakon és más olyan rendszereken, amelyek rendkívül pontos időt igényelnek.

2010-ben a JILA tudósai ezekkel az órákkal mérték az idődilatációt két ponton 33 centiméteres magasságkülönbséggel, ami akkoriban nagy előrelépés volt. Egy évtizednyi finomhangolás után Ye-nek és kollégáinak sikerült nyomon követniük a frekvenciaeltolódásokat egy 100 000, rendkívül hideg stroncium atomból álló mintán belül, ami lehetővé tette számukra, hogy megragadják a dilatáció példátlan, milliméteres léptékű hatásait.

Sőt, a csapatnak sikerült 37 másodpercig tökéletes összhangban mozgatnia ezeket az atomokat, ezzel új rekordot állított fel a "kvantum koherencia," vagyis az atomok viselkedésének előrejelzési állapotában.

"Az első napon, amikor láttuk ezt a hosszú koherenciaidőt, el sem tudtuk hinni," - emlékezett vissza Ye. "A kvantum koherencia nagyon mikroszkopikusan hangzik. Az atom felfedi előtted, hogyan mozognak az elektronok az atommag körül, és így tovább. De hihetetlen 37 másodpercre gondolni, majdnem egy percre - ez egy nagyon makroszkopikus időskála, egy 'emberi lény' időskála."

Ha ezt a bizarr kvantumvilágot behozzuk ismerősebb környezetünkbe, az segíthet a tudósoknak a tudomány legnagyobb nyitott kérdéseinek megválaszolásában. Például a kutatók évtizedek óta próbálták elérni, hogy az általános relativitáselmélet, amely a csillagok és galaxisok nagy méretű kozmoszát irányítja, megegyezzen a kvantummechanikával, amely meghatározza a szabályokat az atomok belsejében lévő apró birodalomban. Ahogy az atomórák egyre pontosabbak lesznek, a tudósok képesek lesznek ténylegesen látni az atomok hullámait a téridő görbületében, ahol a klasszikus és a kvantumvilág ütközik.

"Ez alapvető fontosságú, ha eljutunk odáig," - mondta Ye. "Ez a fizika olyan területe, amelyet még soha nem fedeztünk fel." Ha ezeket az órákat még 20-szoros tényezővel lehet javítani, tette hozzá Ye, "egy nagyon-nagyon érdekes rendszerbe kerülünk," amely "új betekintést ad majd, amikor a kvantummechanika végre találkozik az általános relativitáselmélettel".

A valóságunk alapvető természetével kapcsolatos új felfedezéseken túl az egyre pontosabb órák a lehetséges alkalmazások gyakorlatilag végtelen listáját inspirálják, amelyek a vulkánkitörések előrejelzésétől a tengerszint-emelkedés mérésén át a mélyűri küldetésekig terjednek.

"Az egész Föld egy élő test; nagyon aktívan mozog," - mondta Ye. "Amikor a globális felmelegedésről és a változó Földről beszélünk, jobb eszközökre van szükségünk ahhoz, hogy nyomon tudjuk követni, mi történik. Órák segítségével ténylegesen mérhetjük a Föld változását, mivel az idő és a tér szorosan összefügg."

"Sokszor szeretünk viccelődni: 'Száz évig egészségesen élünk, és ezalatt a fejünk valamivel gyorsabban öregszik, mint a lábunk, körülbelül fél mikroszekundummal," - jegyezte meg.

"Biológiai léptékben ez egy perc - kit érdekel életem száz évében fél mikroszekundum? De ez nagy különbséget jelent a Föld változásának mérésében, és annak mérésében, hogy végül hogyan tudunk emberes vagy pilóta nélküli járművekkel leszállni a Marsra vagy más távoli bolygókra. Mindez az információk pontos időzítésén alapul." (2)

(1) - https://www.nature.com/articles/
(2) - https://www.vice.com/en/article/