Согласно теории Эйнштейна относительности, часы на полу должны бежать очень немного медленнее, чем идентичный поверх стула-стремянки, потому что более низкие часы устраиваются глубже в поле тяготения Земли. Теперь, физики продемонстрировали этот результат с помощью двух суперточных часов и подняв один на несколько сантиметров выше другого. Это – первый раз, когда ученые использовали часы, чтобы показать, что время летит быстрее для Вашего носа, чем для Вашего пупка.
«Демонстрация гравитационного изменения путем подъема часов, приблизительно один фут является довольно ошеломляющим», говорит Дэниел Клеппнер, физик в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, не вовлеченный в работу. Он добавляет, однако, что демонстрация «не изменяет ничье представление об относительности».
Эйнштейн понял, что время проходит при различных ставках в зависимости от обстоятельств. Например, предположите, что Вы стоите на платформе поезда с Rolex на Вашем запястье, в то время как друг, носящий идентичные часы, изменяет масштаб изображения в поезде. Часы Вашего друга бегут медленнее, чем Ваши просто, потому что он двигается относительно Вас, Эйнштейн предсказал в своей теории специальной относительности. И согласно его теории Общей теории относительности, появляется сила тяжести, потому что крупные вещи как Земля протягивают ткань пространства и времени. В результате часы в более низкой высоте и, следовательно, более низкой гравитационной энергии, должны бежать медленнее, чем одна в более высокой высоте — приблизительно на 3 микросекунды в год за километр возвышения.
Такие на вид бессмысленные предсказания были давно подтверждены путем сравнения ультраточных атомных часов на земле с теми в честолюбивых реактивных самолетах. И основанная на спутнике глобальная система положения принимает их во внимание. Теперь Чин-вэнь Чоу, До Rosenband и коллег в Национальном Институте Стандарта и Технологии (NIST) в Валуне, Колорадо, обнаружил изменения в течении времени, вызванном скоростями меньше чем 10 метров в секунду и изменениями высоты меньше чем метра, с помощью нового типа атомных часов, названных оптическими часами.
Атомные часы эксплуатируют факт, что электроны в в атоме занимают «государства» с отличными энергиями и могут прыгать между двумя государствами путем испускания или поглощения электромагнитных волн частоты набора. Исследователи блистают такие волны на атомах, и обратная связь сохраняет их частоту настроенной так, чтобы атомы все время подскакивали назад и четвертый между двумя государствами. Колеблющиеся волны тогда отмечают время, как маятник делает, только намного быстрее и более равномерно. Атомные часы, теперь устанавливающие международные микроволновые печи использования стандарта времени с частотой 9,2 миллиардов циклов в секунду делать цезиевый щелчок атомов между двумя государствами почти той же энергии.
Напротив, часы исследователей NIST используют лазерный свет с частотой 1 120 000 миллиардов циклов в секунду для улучшения скачка более высокой энергии названным оптическим переходом в единственном алюминиевом ионе проводимый в тщательно продуманной западне. Цезиевый стандарт точен к трем частям в 10 миллионах миллиардов; новые алюминиевые часы имеют точность почти в 40 раз лучше. Та дополнительная точность позволяет продемонстрировать результат относительности в более человеческом масштабе. Исследователи построили два алюминиевых часов, и проверить скоростной результат, они устанавливают ион в одном покачивании назад и вперед в его западне со скоростью всего 4 метра в секунду. Они смогли решить эти 2 части в 10 миллионах миллиардов замедления, которое движение вызвало в часах с движущимся ионом. Проверить результат силы тяжести, физики, начатые с часов на 17 сантиметров ниже другой и затем, подняло первые часы на 33 сантиметра. На этот раз они обнаружили 4 части в 100 миллионах миллиардов изменения в частоте поднятых часов, как предсказано теорией Общей теории относительности, исследователи сообщают в выпуске 24 сентября Науки.
«Что поражает меня, продвижение оптических часов — 10 или 20 лет назад они были только мечтой», говорит Нэн Ю, квантовый физик в НАСА Лаборатория реактивного движения в Пасадене, Калифорния. Только недавние трансгрессии в лазерных методах сделали ту мечту реальностью, говорит Ю, ожидающий, что в течение нескольких лет некоторый тип оптических часов может заменить цезиевый микроволновый стандарт. Кристоф Сэломон, физик в Ecole Normale Superieure в Париже также думает, что это вероятно, но отмечает, что оптические часы не довольно стары технологически. «Эти часы делают быстродействующие успехи, но они не бегут постоянно» собой, говорит Сэломон. Это – проблема, исследователи NIST уже продолжают работать.