Un record incredibil a fost obținut recent de către cercetătorii conduși de Jun Ye de la JILA University of Colorado, Boulder, care au reușit să măsoare diferențe de timpi cu ceasuri atomice pe distanțe de 1 mm în câmpul gravitațional terestru, confirmând teoria relativității generale.

Timpul în relativitatea generală

Teoria relativității generale a lui Einstein ne arată cum spațiul și timpul sunt legate de energia și materia din Univers. Deci nu sunt absolute, ci depind atât de observator (adică cine face măsurătoarea), cât și de câmpul gravitațional. Această minunată teorie ne spune de exemplu că timpul trece mai lent în câmpuri gravitaționale intense; cu cât câmpul gravitațional este mai intens, cu atât timpul trece mai încet. Dacă vă amintiți filmul Interstellar, atunci când ajungeau pe planeta din apropierea găurii negre, unde câmpul gravitațional era foarte intens, timpul trecea mult mai lent decât pentru cei lăsați acasă. O oră pentru cei de pe planetă era echivalent cu 7 ani pentru cei rămași acasă. Acest efect a fost măsurat în multe experimente, în special cu ceasuri atomice.

Ceasul atomic

Cum măsurăm timpul? Putem folosi un ceas mecanic, cu roți dințate – dar acesta nu este foarte precis. La ora actuală pentru măsurători de precizie ale timpului se folosesc așa-numitele ceasuri atomice. Ceasul atomic este ceas care utilizează tranziția frecvenței electronice de obicei în zona microundelor, opticii sau a ultravioletelor dintr-un spectru electromagnetic a unui atom. Atomii, cum bine știm, au nivele de energie bine definite (este fizica cuantică în acțiune); deci inclusiv tranzițiile dintre aceste nivele au energii foarte bine definite. Aceste tranziții atomice sunt folosite pentru măsurarea timpului. Se pot folosi diverse tipuri de sisteme atomice, precum cesiul, însă nu doar acesta. Cu ajutorul acestor ceasuri atomice s-a putut demonstra cum timpul trece diferit la diverse înălțimi în gravitația terestră. Au fost observate diferențe între timpi pentru poziții care avea între ele diferențe de circa 30 de centimetri – aceste diferențe sunt extrem de mici.

Un nou record: diferențe de timp pe distanțe de 1 mm

Recent un grup de cercetători condus de Jun Ye de la JILA University of Colorado, Boulder (USA) a reușit să obțină un record incredibil: măsurarea diferenței de timpi într-un sistem atomic la diferențe de înălțimi în câmpul gravitațional terestru de 1 mm.

Sistemul folosit a  fost alcătuit din 100.000 atomi de stronțiu, ultrareci, aranjați într-o structura specială (lattice). A fost măsurat modul în care variază frecvența tranziției între nivelele de energie în funcție de câmpul gravitațional, și s-a demonstrat cum că timpul pentru atomii într-un câmp gravitațional mai intens (însă cu o diferență de doar 1 mm!)  trece mai încet decât pentru cei în câmp gravitațional mai puțin intens; diferența măsurată în limita erorilor este exact ceea ce se aștepta din teoria relativității generale.

Acest rezultat a fost posibil prin îmbunătățirea tehnicilor experimentale care au permis o precizie în măsurarea frecvenței de circa 7,6 ori 10 la puterea minus 21!!! Incredibilă precizie!

La ce folosește?

Cu ajutorul acestui ceas atomic pus la punct de cercetători am putea măsura timpul cu o precizie atât de mare încât ceasul atomic ar greși cu doar o secundă la 4 mii de miliarde de ani! Mult mai mult decât vârsta Universului nostru. Pe lângă tehnologia aplicată, care este de interes în mai multe domenii, inclusiv în standarde din ce în ce mai precise pentru măsurătoarea timpului, aceste măsurători pot la un moment dat să ne arate cum teoria lui Einstein nu mai explică rezultatele obținute; evident pentru aceasta este nevoie de noi îmbunătățiri. Ba mai mult, se caută să se măsoare eventuale efecte ale materiei întunecate asupra diferenței de timpi, ceea ce ar reprezenta o nouă metodă față de cele utilizate la ora actuală pentru studii ale acestei materii.

Credit imagine: Jun Ye et al / Baxley / JILA

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe