Atom saatleri, Einstein'ın genel göreliliğini milimetre ölçeğinde ölçer
JILA fizikçileri, Albert Einstein'ın genel görelilik teorisini veya daha spesifik olarak, zaman genişlemesi olarak adlandırılan etkiyi, şimdiye kadarki en küçük ölçekte ölçtüler; farklı oranlar.
Nature dergisinin 17 Şubat sayısında açıklanan deneyler, atom saatlerinin günümüzün en iyi tasarımlarından 50 kat daha hassas hale getirilmesini öneriyor ve belki de görelilik ve yerçekiminin fizikte büyük bir ikilem olan kuantum mekaniği ile nasıl etkileşime girdiğini ortaya çıkarmak için bir yol sunuyor.
Dünyanın En Hassas Saati Olan Atom Saatleri, Einstein'ı Yine Haklı Çıkardı
JILA, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ( NIST ) ve Colorado Boulder Üniversitesi tarafından ortaklaşa işletilmektedir.
NIST / JILA Üyesi Jun Ye, "En önemli ve heyecan verici sonuç, kuantum fiziğini yerçekimi ile potansiyel olarak bağlayabilmemizdir, örneğin parçacıklar kavisli uzay - zamanda farklı konumlara dağıtıldığında karmaşık fiziği araştırmak," dedi. "Zaman işleyişi açısından, saatleri bugünden 50 kat daha hassas hale getirmek için bir engel olmadığını da gösteriyor - bu harika bir haber."
Einstein'ın 1915 genel görelilik kuramı, zaman üzerindeki yerçekimi etkisi gibi büyük ölçekli etkileri açıklar ve GPS uydu ölçümlerini düzeltme gibi önemli pratik uygulamaları vardır. Teori bir asırdan daha eski olmasına rağmen, fizikçiler ondan büyülenmeye devam ediyor. NIST bilim adamları, göreliliği giderek daha kesin bir şekilde ölçmek için sensörler olarak atomik saatleri kullandılar; bu, nihayet etkilerinin atom altı dünyanın kural kitabı olan kuantum mekaniği ile nasıl etkileşime girdiğini açıklamaya yardımcı olabilir.
Genel göreliliğe göre, bir yerçekimi alanındaki farklı yüksekliklerdeki atomik saatler farklı hızlarda tıklar. Atomların radyasyonunun frekansı azalır - elektromanyetik spektrumun kırmızı ucuna doğru kaydırılır - Dünya'ya daha yakın, daha güçlü yerçekiminde gözlemlendiğinde. Yani, bir saat daha alçak irtifalarda daha yavaş işliyor. Bu etki defalarca gösterilmiştir; örneğin, NIST fizikçileri, 2010 yılında, biri diğerinin 33 santimetre ( yaklaşık 1 fit ) üzerinde konumlanmış iki bağımsız atomik saati karşılaştırarak ölçtüler.
JILA araştırmacıları, grubun önceki atomik saatlerine benzer bir laboratuvar kurulumu olan optik bir kafese yüklenen yaklaşık 100.000 ultra soğuk stronsiyum atomunun tek bir örneğinin üst ve alt kısımları arasındaki frekans kaymalarını ölçtüler. Bu yeni durumda, lazer ışınları tarafından oluşturulan bir krep yığını olarak görselleştirilebilen kafes, alışılmadık derecede büyük, düz, ince keklere sahiptir ve bunlar normalde kullanılandan daha az yoğun ışıktan oluşur. Bu tasarım, kafeste normalde ışık ve atomların saçılmasından kaynaklanan bozulmaları azaltır, numuneyi homojenleştirir ve atomların belirli konumlarda bulunma olasılığını gösteren atomların madde dalgalarını genişletir. Atomların enerji durumları o kadar iyi kontrol ediliyor ki, hepsi 37 saniye boyunca tam bir uyum içinde iki enerji seviyesi arasında gidip geldiler.
Yeni sonuçlar için çok önemli olan, örnek boyunca frekans dağılımlarının mikroskobik bir haritasını sağlayan Ye grubunun görüntüleme yeniliği ve geleneksel iki ayrı saat kullanma yaklaşımı yerine bir atom bulutunun iki bölgesini karşılaştırma yöntemiydi.
Atom bulutu boyunca ölçülen kırmızıya kayma, tahminlerle tutarlı olarak 0.00000000000000000001 alanında çok küçüktü. ( İnsanların doğrudan algılaması için çok küçük olsa da, farklılıklar, GPS gibi teknolojilerin yanı sıra evren üzerinde de büyük etkilere yol açar. ) Araştırma ekibi, bu tür deney için bu farkı, yaklaşık 30 dakikalık ortalama verilerle hızlı bir şekilde çözdü. . 90 saatlik veriden sonra, ölçüm hassasiyeti önceki herhangi bir saat karşılaştırmasından 50 kat daha iyiydi.
Ye, "Bu tamamen yeni bir top oyunu, kavisli uzay - zamanda kuantum mekaniğinin keşfedilebileceği yeni bir rejim" dedi. "Kırmızıya kaymayı bundan 10 kat daha iyi ölçebilseydik, uzay - zamanın eğriliği boyunca atomların tüm madde dalgalarını görebileceğiz. Zaman farkını böyle bir dakika ölçeğinde ölçebilmek, örneğin, yerçekiminin kuantum tutarlılığını bozduğunu keşfedin, bu da makro ölçekli dünyamızın klasik olmasının altında yatan sebep olabilir."
Daha iyi saatler, zaman işleyişi ve navigasyonun ötesinde birçok olası uygulamaya sahiptir. Ye, atomik saatlerin hem kuantum mekaniği ile yerçekimi arasındaki küçük bağlantıları görmek için mikroskop hem de evrenin en derin köşelerini gözlemlemek için teleskoplar olarak hizmet edebileceğini öne sürüyor. Evrendeki maddenin çoğunu oluşturduğuna inanılan gizemli karanlık maddeyi aramak için saatleri kullanıyor. Atomik saatler, göreli jeodezi adı verilen bir ölçüm biliminin uygulanması yoluyla Dünya'nın şeklinin modellerini ve anlayışını geliştirmeye de hazır.
