Експеримент з атомними годинниками підтвердив один з основних принципів Айнштайнової теорії відносності. Згідно з ідеєю локальної інваріантності (local position invariance principle), місце і час – наприклад, у ліфті, що падає, – не можуть впливати на результати фізичних експериментів, які не залежать від гравітації. Завдяки тесту з залученням атомних годинників науковцям удалося виміряти локальну інваріантність у п’ять разів точніше, ніж дотепер, повідомили вчені у журналі Nature Physics.
Зображення: Volyk, jenastock/iStock; HG: NASA.
Донині загальна теорія відносності Альберта Айнштайна – основа нашого фізичного світогляду. В ній фізик описав не лише гравітацію як викривлення простору-часу, він стверджував також, що ця сила впливає на масу, світло та інші фізичні величини.
У своєму відомому мисленнєвому експериментів «ліфт» Айнштайн проілюстрував основний принцип своєї загальної теорії відносності: він уявляв ліфт, що за умов вільного падіння прямує вниз у вакуумі Всесвіту. При цьому всі об’єкти всередині цього ліфта, гласить його теорія, пришвидшуватимуться однаково – нема різниці, чи пір’їнка, чи свинцева гиря. Це описано в слабкому принципі еквівалентності.
Також у ліфті можна простежити сильний принцип еквівалентності: згідно з ним, всі інші фізичні ознаки об’єктів, що перебувають у ліфті, залишатимуться незмінними, незалежно від часу й місця.
«Результат всякого не пов’язаного з гравітацією експерименту мав би не залежати від позиції та орієнтації в тій системі координат, в якій здійснюють експеримент», – пояснив Нейл Ашбі (Neil Ashby) та його колеги з Американського національного інституту стандартів і технологій у Боулдері. Тобто інтенсивність, з якою, наприклад, переходять від одного до іншого енергетичного стану атоми в різних атомних годинниках, не мала б відрізнятися, якщо навколо змінюється сила тяжіння.
Земля, як Айнштайновий ліфт. Зображення: K. Rechin/NIST.
Власне це тепер перевірили вчені за допомогою восьми цезієвих та чотирьох водневих атомних годинників. Для цього вони аналізували «тікання» впродовж 14 років.
Хитрість: Землю на орбіті навколо Сонця можна порівняти з ліфтом Айнштайна, пояснили вчені. Цей Земля-ліфт в певному сенсі «падає» через гравітаційне поле Сонця і піддається мінливому впливу гравітації. Якщо Айнштайнові положення про локальну інваріантність правдиві, то ці впливи не можуть змінити «тікання» атомних цезієвих годинників інакше, ніж водневих.
«Якщо два годинники різної внутрішньої структури проходять через один гравітаційний потенціал, співвідношення частоти їхнього тікання не мало б змінитися», – сказав Ешбі та його колеги.
З’ясувалося: у даному порівнянні відносне «тікання» атомних годинників та їхня локальна інваріантність залишилися однаковими – з позначкою 0,000000224. Це визначає діапазон можливих відхилень від принципу у п’ять разів точніше, ніж всі попередні вимірювання.
Отримані результати спростовують припущення, що сильний принцип еквівалентності можна порушити. «Вони встановлюють строгі обмеження для зміни основних констант і становлять собою перевірку загальної теорії відносності безпрецедентної точності», – повідомили вчені.
Показник локальної інваріантності, який постулює Айнштайнова теорія, – нуль. Проте з огляду на точність вимірювань досягнути її експериментально – неможливо, сказав Ешбі з колегами. В майбутньому атомні годинники наступного покоління, що мають в основі ітербій або стронцій, зможуть ще більше звузити отримані результати завдяки своїй високій точності.
Atomuhren bestätigen Einsteins "Fahrstuhl"
National Institute of Standards and Technology (NIST), 06.06.2018
Зреферувала С. К.
15.06.2018