دقت ساعت‌های اتمی تایید کننده نظریه نسبیت

ساعت‌های اتمی که فقط چند سانتی‌متر از هم فاصله دارند، نرخ‌های متفاوت زمان را اندازه‌گیری می‌کنند، همانطور که نظریه نسبیت انیشتین پیش‌بینی کرده بود.

ساعت اتمی بسیار دقیق

به گزارش اورانوس و به نقل از یونیورس تودی، ارتباط بین نسبیت و مکانیک کوانتومی برای دهه‌ها جعبه سیاهی برای دنیای فیزیک بوده است. این تا حدی ناشی از مشکل در جمع‌آوری داده‌ها در سیستم‌هایی است که رابط بین این دو هستند. نسبیت قلمرو ابَرجرم است، در حالی که مکانیک کوانتومی را می‌توان در بهترین حالت به عنوان قلمرو کوچک توصیف کرد. اما در واقع، قلمرو خاصی وجود دارد که در آن همپوشانی دارند. یکی از نتایج نسبیت این است که گرانش می‌تواند بر جریان زمان تأثیر بگذارد. این اثر که معمولاً به عنوان “اتساع زمان” شناخته می شود، اکنون توسط محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در ایالات متحده با استفاده از ساعت اتمی فوق العاده دقیقی مورد مطالعه قرار گرفته است.

اتساع زمان در نظریه نسبیت خود مفهومی معتبر و محرز است، این حتی اولین بار نیست که مهندسان NIST آن را با استفاده از ساعت‌های اتمی ثابت می‌کنند. از نظر مفهومی اتساع زمان به این معنی است که گرانش زمان را کند می‌کند. بنابراین جسمی که گرانش بالایی را تجربه می‌کند در نتیجه زمان کوتاه‌تری را تجربه می‌کند.

یکی از معروف‌ترین نمونه‌های مفهومی احتمالاً در فیلم بین‌ستاره‌ای (Interstellar) ثبت شده است. قهرمانان در نهایت به دنیایی متروک می‌رسند و به دنبال کاشفی می‌گردند که تنها چند ساعت را در سطح سیاره تجربه کرده بود و سال‌ها روی زمین می‌گذشت. در مورد فیلم، این اتساع زمانی به دلیل گرانش زیاد ناشی از سیاه‌چاله‌ای در نزدیکی سیاره است، اما همین اثرات را می‌توان در مقیاس دقیقه حتی در اینجا روی زمین مشاهده کرد.

در گذشته، دانشمندان NIST این موضوع را با اندازه‌گیری اتساع زمانی دو ساعت اتمی که روی هم به فاصله ۳۳ سانتی‌متر از هم قرار گرفته‌اند ثابت کرده‌اند. حتی با آن فاصله اندک، آنها می‌توانند تغییرات محسوس در گرانش را تشخیص دهند. حالا برای ترفند بعدی، آنها این فاصله را تنها به یک میلی‌متر کاهش دادند.

داشتن دو ساعت اتمی مجزا که به هم نزدیک شوند از نظر فیزیکی غیرممکن است، بنابراین دکتر جون یه و گروه‌ش ساعتی جدید را برای استفاده خاص در این آزمایش ابداع کردند. به طور معمول این دستگاه‌ها از ارتعاش نوع خاصی از اتم برای شمارش زمان استفاده می کنند. تعریف خود ثانیه بر اساس ارتعاشات اتم سزیم است.

محققان از ساختاری به نام “شبکه نوری” استفاده کردند که حدود ۱۰۰ هزار اتم منفرد استرانسیوم را در ساختاری مشخص نگه می‌دارد. مهمتر از همه، آنها همچنین سیستمی برای تصویربرداری ایجاد کردند که می‌توانست بالا و پایین شبکه را به دقت کنترل کند، که می‌توان آن را شبیه به پشته کتلت، ولی در مقیاس اتمی، در نظر گرفت. فاصله بین بالا و پایین شبکه نوری تنها یک میلی‌متر اندازه‌گیری می‌شود که آن را به کمترین فاصله‌ای تبدیل می‌کند که تاکنون در این نوع آزمایش دیده شده است.

با این حال، تفاوت قابل اندازه‌گیری در زمان تجربه شده توسط قسمت بالایی شبکه در مقابل قسمت پایین وجود دارد. تفاوت اندعزه‌گیری شده ساعت‌های اتمی فقط ۰.۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ ثانیه بود، اما دانشمندان قطعاً آن را اندازه می‌گرفتند. این مطابق با انتظارات نظریه نسبیت عام بود.

با این حال، اثبات نظریه‌ای که قبلاً ده‌ها بار ثابت شده است، تنها نتیجه آزمایش نبود. تکنیکی که محققان استفاده کردند به ساخت بالقوه ساعتی اشاره دارد که ۵۰ برابر دقیق‌تر از ساعت‌های کنونی است. باز هم، ممکن است بیش از حد به نظر برسد، زیرا اکثر ساعت‌های اتمی برای اندازه‌گیری هر چیزی در دنیای ماکرو ما بیش از اندازه کافی هستند. اما در مقیاس مکانیک کوانتومی، زمان جالب می‌شود، زیرا تفاوت‌های جزئی در گرانش در فواصل کم، عاملی مخدوش کننده در درک ما از آن قلمرو است. ساعت‌های دقیق‌تر به‌طور بالقوه می‌توانند آن فواصل کوچک را به روشی کاوش کنند که قبلاً هرگز امکان‌پذیر نبوده است، و این ساعت اتمی جدید مبتنی بر «ابر اتمی» ممکن است یکی از راه‌های انجام آن باشد.

قبل از اجرای چنین آزمایش‌هایی هنوز یک مرتبه بهبود دیگر در دقت این ساعت‌ها لازم است. اما با شانس، تلاش و بودجه مستمر، ساعت‌های اتمی بهتر می‌توانند راه را برای کشف یکی از بزرگترین اسرار فیزیک هموار کنند.

ستاره‌شناس آماتور، معلم نجوم، فیزیک‌دان و کارشناس رایانه
  • instagram

دیدگاهتان را بنویسید