Атомные часы доказали гравитационное замедление времени

Гравитация является самой главной силой во Вселенной. Именно она удерживает планеты на орбите вокруг Солнца. Она же удерживает Луну на земной орбите и создает звезды и планеты, притягивая материал, из которого они состоят. Но что особенно интересно, так это способность гравитации притягивать свет. Этот принцип открыл Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как кривую в пространстве – она огибает объект, например звезду или планету. И если поблизости находится другой объект, он также втягивается в кривую. Согласно Общей теории относительности (ОТО), время движется медленнее вблизи массивных объектов, так как их гравитационная сила изгибает пространство-время, которые неразрывно связаны. Это означает, что большие массы деформируют ткань пространства-времени своим огромным гравитационным влиянием. Недавно в научном журнале Nature вышла интересная статья. Ее авторы утверждают, что атомные часы, разделенные всего несколькими сантиметрами, измеряют разные скорости времени – как и предсказывал Эйнштейн.

Универсальный закон тяготения Ньютона, сформулированный им в 1687 году, стал первой работой по объединению фундаментальных сил в физике.

Как устроена Вселенная?

Начнем с того, что в основе современной физики лежат четыре фундаментальных силы природы:

• Электромагнетизм (физическое взаимодействие, которое происходит между электрически заряженными частицами);
• Слабое ядерное взаимодействие (физическое взаимодействие распада атомных ядер);
• Сильное ядерное взаимодействие (физическое взаимодействие в котором участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них частицы – адроны);
• Гравитация (универсальное фундаментальное взаимодействие между материальными телами, обладающими массой. При этом именно гравитация является самой слабой из всех существующих сил).

Несмотря на то, что гравитация является самой слабой из четырех сил, именно она определяет, как устроена Вселенная в широком масштабе, на уровне планет и галактик. По этой причине гравитация может показаться универсальной силой, но на деле это не так.

Согласно ОТО, сформулированной Эйнштейном в 1916 году, гравитация не является свойством отдельных тел, речь идет о Вселенной в целом.

Выходит, ОТО описывает гравитацию не просто как силу, но как геометрию. Гравитация по Эйнштейну – это следствие того, как материя искажает пространство-время. Знаменитый физик также предполагал существование гравитационных волн, ведь массивные объекты не только искажают пространство-время, они создают в нем рябь. Это происходит когда два объекта, например черные дыры, сталкиваются друг с другом.

Открытие гравитационных состоялось в 2016 году. Подробнее об этом научном прорыве рассказывал мой коллега Артем Сутягин, рекомендую к прочтению.

Гравитация и замедление времени

И все же принципы теории относительности не сочетаются с квантовой механикой, которая рассматривает Вселенную на уровне взаимодействия элементарных частиц. Несовместимость этих теорий – одна из важнейших проблем современной науки. Хотя небольшая лазейка у физиков все же есть.

Чтобы приблизиться к созданию Теории всего и разобраться в устройстве Вселенной, исследователи решили обратить внимание на гравитационное замедление времени. Этот удивительный феномен также не противоречит постулатам квантовой механики – время под действием сильной гравитации действительно меняет свой ход.

Гравитационное замедление времени – это физическое явление, которое заключается в изменении темпа хода часов в гравитационном потенциале

Ранее это удалось доказать измерив замедление времени двух атомных часов, расположенных друг над другом на расстоянии всего 33 см. Даже на таком небольшом расстоянии часы смогли обнаружить заметные изменения гравитации. Однако наличие двух отдельных атомных часов, расположенных близко друг к другу, физически невозможно. По этой причине авторам исследования пришлось разработать новые часы специально для эксперимента. Но что представляют собой эти приборы?

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram – так вы точно не пропустите ничего интересного!

Атомные часы: как узнать точное время?

Атомные часы – самый точный прибор для измерения времени. Эти устройства состоят из нескольких частей, а их электроника ответственна за стабильность работы и точность механизма. Несмотря на то, что атомные часы устройства сложные, изготовить их и использовать могут в любой стране мира. Сами по себе эти приборы не тяжелые и небольшие (а определение секунды основано на колебаниях атома цезия).

В ходе нового исследования, опубликованного журнале Nature, ученые уменьшили размер атомных часов. Это стало возможным благодаря замене пружин и шестеренок на специальный механизм, который позволил определять частоту электромагнитного излучения атомов цезия с помощью воздействия на частицы лазерным лучом.

Не пропустите: Время на квантовом уровне течет иначе. Но как? И что это означает для физики?

В конечном итоге физики превратили атомные часы в набор из 15 независимых измерительных приборов, удаленных друг от друга на расстоянии шести микрометров. С помощью нового устройства исследователи смогли контролировать перемещение частиц и «послойно» замерить частоту колебаний облака из нескольких сотен тысяч атомов стронция-87, заключенных внутри специальной световой ловушки.

Наиболее важным и захватывающим результатом нашей работы является потенциальная возможность связать квантовую физику с гравитацией, так как частицы распределены в разных местах в искривленном пространстве-времени, – объясняет один из авторов нового исследования Йе Цзюнь из Национального института стандартов и технологий США.

Сопоставив полученные данные авторы работы пришли к выводу, что гравитационное замедление времени можно применить к микрообъектам, которые подчиняются законам квантовой механики. Результаты эксперимента также показали, что не существует никаких препятствий для создания новых часов, которые будут работать в 50 раз точнее всех имеющихся на сегодняшний день устройств.

Интересный факт
В мае 2021 года астрономы создали наиболее полную карту темной материи во Вселенной, которая выявила, что гравитация внутри космических пустот не подчиняется теории относительности.

Таким образом, основываясь на одном из заключений Общей теории относительности Эйнштейна (время в присутствии гравитационных полей разной силы и при движении с большой скоростью течет неоднородно), физики наконец смогли доказать существование гравитационного замедления времени. Оказалось, оно не проявляло себя на малых масштабах но оказала влияние на ход часов в полном соответствии с предсказаниями теории относительности.

Вам будет интересно: Физики впервые связали два разных квантовых объекта

Что-то новенькое

Но этот невероятный результат – только начало. В будущем физики планируют повысить точность измерений используя атомные часы для наблюдений за тем, как гравитация влияет на работу сложных квантовых систем. Таким образом модернизированные атомные часы позволят добиться более точных данных в будущих исследованиях.

Выходит, нас с вами точно ждут невероятно интересные открытия. Безусловно, ученым предстоит много работы, но при удаче, решимости и постоянном финансировании усовершенствованные атомные часы могли бы проложить путь к разгадке одной из самых больших загадок физики и наконец создать Теорию всего.

Это интересно: Предполагает ли квантовая механика множественность миров или что такое интерпретация Эверетта?

Интересно и то, что атомные часы можно применять не только для расширения границ известной физики частиц. Их помощь пригодится и астрофизикам в поисках таинственной темной энергии, масса которой превышает массу обычного вещества во Вселенной (в пропорциях 5 к 1).

Благодаря точности измерений, атомные часы могут помочь в картографировании внутреннего строения Земли, измеряя гравитацию с невероятной точностью. Более того, атомные часы – ключ к созданию инструментов для изучения тайн физики.

Более того, атомные часы могут служить как микроскопы, позволяя увидеть мельчайшие связи между квантовой механикой и гравитацией, так и телескопами, созданными для наблюдений за самыми удаленными уголками Вселенной.

Больше по теме: Сможет ли телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружить внеземную жизнь?

Недавно в космос был запущен телескоп Джеймс Уэбб. Его создатели отмечают, что открытия, сделанные с помощью астрономического инструмента, позволят узнать какой наша Вселенная была в первые микросекунды после Большого взрыва.