Эксперимент с атомными часами выявил замедление времени в наименьшем масштабе за всю историю наблюдений

В своей теории общей теории относительности Эйнштейн предсказал нечто, называемое замедлением времени: представление о том, что двое часов, находящиеся под двумя разными гравитационными притяжениями, всегда будут идти с разной скоростью.

С тех пор этот эффект наблюдался во многих экспериментах, но теперь ученые зафиксировали его в самом маленьком масштабе, который до сих пор наблюдался.

Результат был достигнут с помощью сверхточных атомных часов, расположенных всего в миллиметре (0,04 дюйма) друг от друга - примерно на ширину острого кончика карандаша. Собрав данные за 90 часов, команда получила показания, которые в 50 раз точнее, чем все предыдущие подобные измерения.

И, конечно, чем меньше и точнее масштаб, тем больше мы полагаемся на квантовую механику для объяснения происходящего. Исследователи надеются, что их новые показания открывают путь к получению новых знаний о том, как искривление пространства-времени - то, что мы ощущаем как гравитацию - влияет на характеристики частиц согласно квантовой физике.

"Наиболее важным и захватывающим результатом является то, что мы потенциально можем связать квантовую физику с гравитацией, например, исследовать сложную физику, когда частицы распределены в разных местах искривленного пространства-времени", - говорит физик Джун Йе из Университета Колорадо в Боулдере.

В этом эксперименте исследователи использовали так называемую оптическую решетку - сеть лазерного света, используемую для удержания атомов на месте, чтобы их можно было наблюдать. Эта техника используется в атомных часах последнего поколения, обеспечивая более точное определение времени с помощью лазерных световых волн, и эти решетки могут использоваться также для квантового моделирования.

В данном случае два показания атомных часов были получены из одного и того же облака атомов, находящихся в строго контролируемом энергетическом состоянии. Фактически, атомы переходили между двумя энергетическими уровнями в идеальной синхронизации в течение 37 секунд, что является рекордом с точки зрения квантовой когерентности (то есть сохранения стабильности квантовых состояний) - а эта стабильность очень важна для таких измерений.

Это позволило ученым снимать показания в двух отдельных точках, измеряя красное смещение в облаке из примерно 100 000 ультрахолодных атомов стронция. Красное смещение показывает изменение частоты излучения атомов в электромагнитном спектре - или, другими словами, как быстро тикают атомные часы.

Хотя разница в красном смещении на этом крошечном расстоянии составила всего 0,00000000000000000000001 или около того, это соответствует предсказаниям общей теории относительности. Эти различия могут иметь значение, когда вы выходите на масштаб всей Вселенной, или даже когда вы имеете дело с системами, которые должны быть сверхточными, такими как GPS-навигация.

"Это совершенно новая игра, новый режим, в котором можно исследовать квантовую механику в искривленном пространстве-времени", - говорит Йе.

"Если мы сможем измерить красное смещение в 10 раз лучше, чем сейчас, мы сможем увидеть волны всей материи атомов в искривленном пространстве-времени. Возможность измерить разницу во времени в таких мельчайших масштабах может позволить нам обнаружить, например, что гравитация нарушает квантовую когерентность, что может лежать в основе того, почему наш макромасштабный мир является классическим".

Отчасти исследование замедления времени так интересно тем, что оно указывает путь к атомным часам, которые в будущем станут еще более точными, давая ученым чертеж, который может быть усовершенствован для проведения измерений на все меньших и меньших масштабах.

Атомные часы прошли долгий путь за последние несколько десятилетий, и многое еще предстоит сделать.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.