Porovnaním rôznych typov od seba navzájom vzdialených atómových hodín vykonali fyzici v Národnom inštitúte pre štandardy a technológie (NIST) najpresnejší test kľúčového princípu, ktorý je základom slávnej všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina. Ten opisuje, ako gravitácia súvisí s priestorom a časom.
NIST výsledok, ktorého získanie umožnilo neustále zlepšovanie najpresnejších atómových hodín, prináša rekordne nízku, mimoriadne malú hodnotu pre veličinu, ktorú Einstein predpovedal ako nulovú.
Ako bolo opísané v článku v Nature Physics uverejnenom on-line 4. júna, výskumníci NIST použili slnečný systém ako laboratórium na testovanie Einsteinovho myšlienkového experimentu, ktorý zahŕňal Zem ako voľne padajúci výťah. Einstein predpokladal, že všetky objekty umiestnené v takom výťahu by sa zrýchlili rovnakou mierou, akoby boli v rovnorodom gravitačnom poli - alebo úplne bez gravitácie. Okrem toho predpovedal, že vlastnosti objektov navzájom voči sebe by zostali konštantné počas voľného pádu výťahu.
Vo svojom experimente NIST tím považoval Zem za výťah, ktorý prechádza gravitačným poľom Slnka. Porovnali zaznamenané údaje o "tiknutí" dvoch typov atómových hodín, ktoré sa nachádzali po celom svete, aby ukázali, že zostali zosynchronované po dobu viac ako 14 rokov, a to aj vtedy, keď gravitačný ťah na výťah kolísal v priebehu obehu Zeme okolo Slnka. Výskumníci porovnávali údaje z rokov 1999 až 2014 z celkovo 12 hodín - štyroch vodíkových maserov (mikrovlnné lasery) v časovej škále NIST s osmimi najpresnejšími céziovými atómovými hodinami prevádzkovanými metrologickými laboratóriami v Spojených štátoch, Spojenom kráľovstve, Francúzsku, Nemecku a Taliansku.
Experiment bol navrhnutý tak, aby testoval predpoveď všeobecnej relativity, princíp lokálnej invariantnosti polohy (LPI), ktorý stanovuje, že v prípade pádu výťahu sú merania negravitačnýchh účinkov nezávislé od času a miesta. Jedno takéto meranie porovnáva frekvencie elektromagnetického žiarenia z atómových hodín na rôznych miestach. Výskumníci stanovili hranicu narušenia LPI na hodnotu 0.00000022 plus alebo mínus 0.00000025 - čo je najmenšia hodnota doteraz, čo je v súlade s predpokladaným nulovým výsledkom všeobecnej teórie relativity a zodpovedá situácii bez narušenia. To znamená, že pomer frekvencií vodíka a cézia zostal rovnaký pre hodiny, ktoré sa spolu pohybovali pádajúcim výťahom.
Tento výsledok má päťkrát menšiu neurčitosť ako najlepšie predchádzajúce meranie porušenia LPI, čo znamená päťkrát vyššiu citlivosť. Skorší NIST výsledok z roku 2007, zo 7-ročného porovnania céziových a vodíkových atómových hodín, bol 20 krát citlivejší ako predchádzajúce testy.
Najnovší postup merania je výsledkom vylepšení v niekoľkých oblastiach, konkrétne presnejších céziových atómových hodín, lepších procesov prenosu času (ktoré umožňujú zariadeniam na rôznych miestach porovnávať ich časové signály) a najnovších údajov na výpočet polohy a rýchlosti Zeme v priestore, povedal Bijunath Patla z NIST.
"Ale hlavným dôvodom, prečo sme sa do tejto práce pustili, bolo zdôrazniť, ako sa používajú atómové hodiny na testovanie fundamentálnej fyziky; predovšetkým základov všeobecnej teórie relativity ", povedala Patla. "Toto je najčastejšie tvrdenie, keď sa hodinári usilujú o lepšiu stabilitu a presnosť. Spájame testy všeobecnej teórie relativity s atómovými hodinami, berúc na vedomie obmedzenia súčasnej generácie atómových hodín a ukazujeme, ako budú budúce generácie hodín veľmi dôležité."
Ďalšie limity LPI sa pravdepodobne nepodarí získať použitím vodíkových a céziových hodín, tvrdia výskumníci, ale experimentálnymi hodinami ďalšej generácie založenými na optických frekvenciách, ktoré sú oveľa vyššie ako frekvencie vodíka a céziových hodín, by mohli ponúknuť oveľa presnejšie výsledky. NIST už prevádzkuje rad týchto hodín na základe atómov, ako je yterbium a stroncium.
Pretože je veľa vedeckých teórií a prepočtov navzájom prepojených, výskumníci NIST použili svoju novú hodnotu pre porušenie LPI, na vypočet variácii v niekoľkých základných "konštantách" prírody, fyzikálnych veličinách, o ktorých sa predpokladalo, že sú univerzálne a sú široko používané vo fyzike. Ich výsledky pre ľahkú kvarkovú hmotu boli doteraz najlepšie, zatiaľ čo výsledky pre konštantu jemnej štruktúry súhlasili s predtým uvedenými hodnotami pre akýkoľvek pár atómov.
Práca bola čiastočne financovaná NASA.
Credit: K. Rechin/NIST
Zdroj: www.nist.gov
Add new comment