ساعت اتمی نسبیت عام اینشتین را در مقیاس ۱ میلی‌متر تأیید کرد
پژوهشگران دانشگاه کلرادو بولدر به کمک آزمایشی توسط یک ساعت اتمی بسیار دقیق، ضمن تأیید نسبیت عام اینشتین، مسیر تازه‌ای برای تحول فیزیک بنیادین باز کردند.
اینشتین در نظریه‌ی نسبیت عام خود مفهومی به نام «اتساع زمان» (Time Dilation) را پیش‌بینی کرد؛ اینکه دو ساعت تحت دو کشش گرانشی متفاوت، همیشه با سرعت‌های متفاوتی کار می‌کنند.
این اثر از آن زمان در بسیاری از آزمایش‌ها دیده شده است، اما اکنون طبق پژوهشی که در نشریه‌ی «نیچر» (Nature) منتشر شده، دانشمندان آن را در کوچک‌ترین مقیاسی که تا کنون مشاهده شده است، ثبت کرده‌اند. چنین نتیجه‌ای با استفاده از ساعت‌های اتمی بسیار دقیق در فاصله‌ی ۱ میلی‌متر (تقریبا به اندازه‌ی عرض نوک یک مداد تیز) به‌دست آمد. جمع‌آوری ۹۰ ساعت داده به این تیم امکان خوانشی را داد که ۵۰ برابر دقیق‌تر از هر اندازه‌گیری مشابه قبلی بود.
البته هر چه مقیاس کوچک‌تر و دقیق‌تر باشد، برای توضیح آنچه در حال وقوع است، باید بیشتر به مکانیک کوانتومی تکیه کنیم. پژوهشگران امیدوارند که خوانش‌های جدید راهی برای آموختن بیشتر درباره‌ی چگونگی تأثیر انحنای فضا-زمان، آنچه که به‌عنوان گرانش تجربه می‌کنیم، بر ویژگی‌های ذرات بر اساس فیزیک کوانتومی باز کند.
«جون یه» (Jun Ye) فیزیکدان دانشگاه کلرادو بولدر گفت: «مهم‌ترین و هیجان‌انگیزترین نتیجه این است که به‌طور بالقوه می‌توانیم فیزیک کوانتومی را با گرانش مرتبط کنیم و برای نمونه، زمانی که ذرات در مکان‌های مختلف در فضا-زمان منحنی توزیع می‌شوند، فیزیک پیچیده را بررسی کنیم.»
در این آزمایش، پژوهشگران از چیزی به نام «شبکه‌ی نوری» یا «توری نوری» (Optical Lattice) استفاده کردند، شبکه‌ای از نور لیزر که برای به دام انداختن اتم‌ها در محل استفاده می‌شود تا بتوان آن‌ها را مشاهده کرد. این تکنیکی است که برای آخرین نسل از ساعت‌های اتمی استفاده می‌شود و دقت بیشتری را در زمان‌سنجی از طریق امواج نور لیزر ارائه می‌دهد. از سویی این توری‌ها را می‌توان برای شبیه‌سازی‌های کوانتومی هم استفاده کرد.
در اینجا، دو خوانش متفاوت ساعت اتمی از یک ابر اتم، در یک حالت انرژی بسیار کنترل شده، انجام شده است. در واقع اتم‌ها بین دو سطح انرژی به مدت ۳۷ ثانیه در هماهنگی کامل بودند، که یک رکورد در انسجام یا همدوسی کوانتومی (پایدار نگه داشتن حالت‌های کوانتومی) محسوب می‌شود و این پایداری برای چنین اندازه‌گیری‌هایی ضروری است.
این موضوع به دانشمندان امکان داد تا خوانش‌های خود را در دو نقطه‌ی مجزا انجام دهند و انتقال به سرخ (سرخ‌گرایی) را در سراسر ابر حدود ۱۰۰۰۰ اتم «استرانسیوم» (Strontium) فوق سرد اندازه بگیرند. سرخ‌گرایی تغییر فرکانس تابش اتم‌ها را در طول طیف الکترومغناطیسی یا به بیان دیگر، سرعت تیک‌تاک ساعت اتمی را نشان می‌دهد.
در حالی که تفاوت در انتقال به سرخ در این فاصله‌ی کوچک فقط حدود ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ بود، این با پیش‌بینی‌های «نسبیت عام» (General Relativity) اینشتین مطابقت دارد. زمانی که به مقیاس کل کیهان می‌رسید یا حتی زمانی که با سیستم‌هایی که نیاز به دقت فوق‌العاده دارند، مانند ناوبری GPS سروکار دارید، این اختلافات می‌توانند تفاوت زیادی ایجاد کنند.
یه گفت: «این یک وضعیت کاملا متفاوت است، شرایطی تازه که در آن مکانیک کوانتومی در فضا-زمان خمیده قابل بررسی است. اگر بتوانیم انتقال به سرخ را ۱۰ برابر حتی بهتر از این اندازه‌گری کنیم، می‌توانیم امواج کل ماده‌ی اتم‌ها را در انحای فضا-زمان مشاهده کنیم. توانایی اندازه‌گیری اختلاف زمانی در چنین مقیاس کوچکی می‌تواند به ما امکان دهد تا برای نمونه کشف کنیم که گرانش، همدوسی کوانتومی را مختل می‌کند، که می‌تواند دلیل کلاسیک بودن دنیای مقیاس ماکرو باشد.»
بخشی از چیزی که این پژوهش اتساع زمان را بسیار هیجان‌انگیز می‌کند، این است که مسیر را به سمت ساعت‌های اتمی بسیار دقیق‌تر در آینده نشان می‌دهد و به دانشمندان نقشه‌ی ساختی می‌دهد که می‌تواند برای اندازه‌گیری در مقیاس‌های کوچک و کوچک‌تر بهینه شود. ساعت‌های اتمی در چند دهه‌ی اخیر مسیری طولانی را طی کرده‌اند و با کاوش‌های تازه، چیزهای بیشتری هم در راه است.
عکس کاور: آزمایش اندازه‌گیری اتساع زمان توسط ابر اتم استرانسیوم
Credit: Jacobson/NIST
منبع: Science Alert
