Физики измерили замедление времени на расстоянии в один миллиметр

Течение времени не так постоянно, как можно было бы подумать — гравитация замедляет его, поэтому часы на поверхности Земли идут медленнее, чем в космосе. Теперь исследователи измерили течение времени с разной скоростью на расстоянии всего один миллиметр.

Идея о том, что на время влияет гравитация, впервые была предложена Альбертом Эйнштейном в 1915 году в рамках его общей теории относительности.

Пространство и время неразрывно связаны, и большие массы искажают ткань пространства-времени своим огромным гравитационным влиянием.

Это приводит к тому, что время течет медленнее по мере приближения к большой массе, такой как планета, звезда или, в самом крайнем случае, черная дыра. Это явление известно как замедление времени.

На Земле замедление времени фактически означает, что время движется быстрее на больших высотах. Так, например, на вершине Эвереста время течет быстрее, чем на уровне моря.

Но это применимо и на меньших расстояниях — кто-то, живущий в квартире на 10-м этаже, будет стареть быстрее, чем кто-то на первом этаже, и даже ваша голова стареет быстрее, чем ваша ноги.

Конечно, различия в течении времени на этих расстояниях настолько малы, что практически незаметны, но их можно измерить с помощью атомных часов, которые очень точно отсчитывают время, используя надежное «тиканье» атомов.

Сравнивая атомные часы на спутниках и самолетах с наземными, ученые смогли измерить замедление времени на расстояниях до тысяч километров. Но в новом исследовании ученые из JILA измерили замедление времени на наименьшем пока расстоянии — всего один миллиметр.

Чтобы сделать это измерение, команда использовала атомные часы, состоящие из ультрахолодного облака 100 000 атомов стронция.

«Тик» часов исходит от того, что атомы переключаются между двумя уровнями энергии и обратно, что они делают с чрезвычайно надежной частотой. Тщательно контролируя эти энергетические состояния, ученые смогли заставить все атомы в облаке работать в идеальном унисоне в течение 37 секунд, что является рекордным временем.

В этих атомных часах атомы были загружены в оптическую решетку, которая укладывает их в несколько тонких слоев, как стопку блинов. Как только атомы начали тикать в унисон, ученые использовали чрезвычайно точные методы визуализации, чтобы измерить тиканье в верхней части стопки по сравнению с нижней.

И действительно, они обнаружили разницу между двумя областями из-за замедления времени. Сдвиг частот был, конечно, крошечным, всего 0,00000000000000000001, но тем не менее, его можно было измерить.

Ученые говорят, что эта работа может не только помочь сделать атомные часы в 50 раз более точными, чем сейчас, но и открыть новые инструменты для исследования тайн физики.

В настоящее время силу гравитации нельзя объяснить с точки зрения квантовой физики, но возможность измерить ее влияние во все меньших и меньших масштабах может раскрыть ее секреты и, возможно, выявить недостающую связь между квантовой и классической физикой.

«Самый важный и захватывающий результат заключается в том, что мы потенциально можем связать квантовую физику с гравитацией, например, исследуя сложную физику, когда частицы распределяются в разных местах искривленного пространства-времени», — сказал Джун Е, ведущий автор исследования.

«Возможность измерить разницу во времени в таком мельчайшем масштабе может позволить нам обнаружить, например, что гравитация нарушает квантовую когерентность, что может лежать в основе того, почему наш макромасштабный мир является классическим».

Исследование опубликовано в журнале Nature. Ученые объясняют свою работу в видео ниже.