Із захищеної лабораторії науковці перемістили атомний годинник до альпійського тунелю у Франції. Їхньою метою було виміряти передбачений Айнштайном вплив, з яким сила тяжіння діє на час. Для цього вчені використали мобільний стронцієвий атомний годинник. І все вдалося: порівняно з показниками, отриманими на 1000 метрів нижче, годинник нагорі йшов трохи швидше. Так вдалися перші вимірювання релятивістського спотворення часу – з допомогою мобільного оптичного атомного годинника.
Всередині трейлера з мобільним оптичним стронцієвим годинником. Зображення PTB.
З часів Альберта Айнштайна відомо, що час – не абсолютна величина: якщо тіло рухається зі швидкістю світла, час для нього минає повільніше. Також час розтягується силою тяжіння – цей гравітаційний ефект відбувається навіть на Землі: на вершинах гори, де сила тяжіння трохи менша, годинник йде швидше, ніж в долині – теоретично.
Проте впродовж тривалого часу цей ефект було неможливо виміряти. Хоча найновіші атомні годинники, зокрема стронцієвий годинник, достатньо точні, аби помітити ці гравітаційні розтягнення часу, проте цю складну та високочутливу апаратуру можна було випробовувати хіба в спеціальних лабораторіях. Перенести її на вершину гори було немислимо.
Однак зараз це змінилося. Вчені з Фізично-технічного федерального інституту (Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, PTB) у Брауншвейгу сконструювали мобільний стронцієвий годинник: всю установку разом з точно налагодженим лазером та холодильним агрегатом перенесли у захищений від вібрацій і зі стабілізованою температурою трейлер легкового автомобіля.
Принцип вимірювання оптичного атомного годинника такий: кілька тисяч атомів стронцію охолодили майже до абсолютного нуля й утримували в крихітних пастках лазерного світла. Потім спіймані атоми опромінюють надстабільним червоним лазером і так змінюють їхній енергетичний стан. Ця зміна відбувається при частоті лазерного світла 430 мільярдів коливань на секунду – це відповідає «тіканню» годинника. Важливо, що стронцієвий годинник настільки точний, що ним можна виміряти відносне викривлення часу.
У межах першої міжнародної вимірювальної кампанії за участі цього годинника його привезли до підземної лабораторії посеред залізничного тунелю Мон-Сеніс у французьких Альпах. Поки годинник був тут, науковці здійснили порівняльне дослідження за 90 кілометрів звідси – в Турині, що на 1000 метрів нижче, ніж гірський тунель. Точна звірка годинників була можливою завдяки оптововолоконній мережі завдовжки 150 кілометрів.
Порівняння обох показників годинника надало змогу виміряти крихітні часові зміщення, спричинені різницею в силі тяжіння на обох територіях. «Це перша польова вимірювальна кампанія з транспортабельним стронцієвим атомним годинником», – констатував Джакопо Ґротті (Jacopo Grotti) і його колеги з Федерального інституту.
Попри неідеальні умови, в тунелі вимірювання вдалися. Науковці виявили і виміряли часові розтягнення на підставі показників годинника. «Ми визначили, що релевантний червоний зсув становив 47,92 герца, – повідомили вони. – На підставі цього ми вирахували різницю в гравітаційному потенціалі на рівні 10,032 квадратних метрів на секунду квадратну».
Цей показник дуже добре узгоджується з виміряною класичними методами різницею у силі тяжіння між двома територіями. «Тож це перша демонстрація хронометричного визначення висоти з допомогою мобільного атомного годинника», – констатував Ґротті з колегами.
Удосконалення точності мобільного оптичного годинника можливі, тож метод має потенціал вимірювати висотні різниці лише кілька сантиметрів. Так атомний годинник буде точніший, ніж супутникові вимірювання, і в майбутньому надасть змогу здійснювати точніші вимірювання гравітаційного потенціалу Землі. За такої умови вчені могли б слідкувати за змінами рівня моря чи океанічних потоків незрівнянно точніше.
«Оптичний атомний годинник вважають годинником майбутнього – і не лабораторним, а й мобільним високоточним інструментом», – пояснив Крістіан Лісдат (Christian Lisdat) з Федерального інституту. Такі висотні вимірювання, здійсненні атомним годинником, з часом можуть допомогти уникнути помилок при втіленні транснаціональних будівельних проектів. Адже дотепер різні країни послуговуються не однаковими показниками рівня моря для системи відліку. Це вже призвело до проблеми при будівництві моста між Німеччиною та Швейцарією, коли висота обох частин моста відрізнялися на понад 50 сантиметрів. Вимірювання атомного годинника дають змогу об’єднати системи та уникнути проблем при втіленні інженерних і конструкторських проектів, пояснили вчені.
Nadja Podbregar
Wissenschaft.de , 13/02/2018
Зреферувала Соломія Кривенко
13.02.2018