Un record incredibil a fost obținut recent de o echipă de cercetători care a 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. Acestea nu sunt deci absolute, ci depind atât de observator, i.e. de cine face măsurătoarea, cât și de câmpul gravitațional.
Minunata teorie a relativității ne spune, de exemplu, că timpul trece mai lent în câmpuri gravitaționale intense și cu cât un câmp gravitațional este mai intens, cu atât timpul se scurge mai încet. Dacă ați văzut filmul Interstellar, poate vă mai amintiți că atunci când astronauții au ajuns pe o planetă din apropierea unei găuri negre, unde câmpul gravitațional era foarte intens, timpul trecea mult mai lent decât pentru cei de pe Terra. O oră pe acea planetă echivala cu șapte 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. Pentru măsurători de precizie se folosesc așa-numitele ceasuri atomice.
Ceasul atomic utilizează tranziția frecvenței electronice, de obicei în zona microundelor, opticii sau a ultravioletelor, dintr-un spectru electromagnetic al unui atom. Atomii, cum bine știm, au nivele de energie bine definite (este fizica cuantică în acțiune); deci și 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 ceasurilor atomice s-a putut demonstra cum timpul se scurge diferit la diverse înălțimi în gravitația terestră. Au fost observate diferențe între timpi pentru poziții care aveau între ele distanțe 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 (cunoscută în trecut ca Joint Institute for Laboratory Astrophysics) și University of Colorado (SUA) 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, ultra reci, aranjați într-o structură specială (lattice). A fost măsurat modul în care variază frecvența tranziției între nivelele de energie în funcție de câmpul gravitațional. S-a demonstrat 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 zece 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 greșeala ar fi de 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 măsurarea 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 studierea acestei materii.
