Гравитационное замедление времени нашли на самых малых масштабах

Эффект замедления времени вследствие гравитации удалось измерить на самых малых на данный момент масштабах. Он был предсказан ещё в общей теории относительности Эйнштейна, и впоследствии его измеряли при помощи звёзд, сверхмассивных черных дыр и атомных часов на масштабе в 30 см.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, этот масштаб уменьшили до одного миллиметра при помощи сверхточных атомных часов. Замедление времени измерили при помощи феномена гравитационного красного смещения. Речь идет об эффекте относительности. Если фотон — частица света — покидает гравитационный колодец (в данном случае, нашу планету), то длина его волны растягивается гравитацией массивного объекта и движется к концу электромагнитного спектра.

Данное исследование примечательно не только революционностью новых оптических атомных часов, но и тем, что приближает учёных к моменту, когда они смогут измерять гравитационные эффекты на квантовых масштабах. Часы в 50 раз точнее вполне могли бы это сделать.

Самый важный и волнительный результат заключается в том, что мы потенциально можем объединить квантовую физику с гравитацией, например, исследуя сложную физику, когда частицы распределяются по разным точкам в искривленном пространстве-времени. Что касается измерения времени, то это также показывает, что перед нами нет препятствия для создания часов в 50 раз точнее, чем сегодня — и это фантастическая новость.

Йе Цзюнь, ведущий автор исследования, профессор Национального института стандартов и технологий США, лауреат Премии за прорыв в фундаментальной физике 2022 года

Использовавшиеся для эксперимента часы побили рекорд квантовой когерентности – то, как показатели энергии «тикают» между энергетическими уровнями. Они находились в унисоне целых 37 секунд. Команда измерила красное смещение, изучив две разных области атомного облака, состоящего из 100 тысяч атомов стронция при температуре, близкой к абсолютному нулю.

Изучив поведение этих областей атомного облака, исследователи сумели зарегистрировать разницу в хронометрировании. Измеренное гравитационное красное смещение по всему облаку было незначительным, в районе 0,0000000000000000001 (одна часть на 10 миллиардов миллиардов), но данный показатель идеально согласовывался с предсказаниями теории.

Это совершенно новая игра, новый режим, в котором можно исследовать квантовую механику в искривленном пространстве-времени. Если бы нам удалось измерить красное смещение в 10 раз точнее, мы смогли бы увидеть волны всего вещества атомов, пересекающие кривизну пространства-времени. Обладая возможностью измерить разницу во времени на таких миниатюрных масштабах, мы смогли бы, например, открыть, что гравитация нарушает квантовую когеренцию, из-за чего наш макромир выглядит таким классическим. Если мы доберемся до времён, чувствительных к очень незначительной кривизне пространства-времени, нас ждут очень интересные открытия.

Йе Цзюнь

Эти экстремально точные часы можно применять не только для расширения границ известной физики частиц. Их также можно использовать в качестве инструмента для изучения тёмной материи — таинственной невидимой субстанции, превышающей по массе обычное вещество в пропорциях 5 к 1. Они также могут помочь в картографировании внутреннего строения Земли с невероятной точностью измеряя гравитацию.