Изменить время. Ученые создали самые точные часы в истории, которые помогут решить важнейшую загадку физики

Возникает логичный вопрос — как связана масса объекта и время? Этот эффект называется гравитационным замедлением времени. Здесь работает такая цепочка: чем большей массой обладает тело, тем сильнее его гравитационное поле — тем сильнее он деформирует ткань пространства-времени — тем быстрее двигается сам объект — тем медленнее течет время рядом с ним.

Практическим доказательством этой части ОТО стал эксперимент, проведенный NASA и астронавтами-близнецами Скоттом и Марком Келли. Скотт провел почти полтора года на МКС, которая вращается вокруг Земли со скоростью около 28 тыс. км/час. В итоге он стал на дополнительные 5 миллисекунд старше своего брата.

То же работает и на Земле — например, на вершине Эвереста время движется немного медленнее, чем на уровне моря. Вы вряд ли заметите эту разницу — около миллиардной доли секунды — однако она существует.

Совсем другая история с черными дырами — одними из самых тяжелых и гравитационно сильных объектов во Вселенной. Они настолько отличаются от остальных небесных тел, что человек, который (теоретически, конечно же) попадет в черную дыру, сможет продемонстрировать разницу во времени, которая может оказаться настолько большой, что это тяжело осознать. Человек может провести там один день, когда для стороннего наблюдателя — например, астрофизиков, которые будут следить за ним с Земли, — может пройти год, два и даже десятилетия.

Однако, чтобы заметить, как время по-разному работает для разных объектов, нам не нужно отправляться ни так далеко в космос, ни даже на Эверест или Говерлу. Нужно лишь посмотреть на достаточно точные часы.

Самые точные часы

Физики из Университета Колорадо под руководством Джуна Е и Хидетоши Ятори из Токийского университета независимо друг от друга «сыграли ключевую роль в создании часов c оптической решеткой, которые позволят проверить фундаментальные законы природы с высокой точностью». Именно так сформулировало их достижение жюри Премии за прорыв в фундаментальной физике — за свое открытие они разделили приз в $3 млн.

Часы с оптической решеткой — следующий шаг в эволюции традиционных атомных часов, которые отсчитывают время при помощи изменения состояния атомов. Так, одна секунда равняется 9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения, которое заставляет электроны в атоме цезия менять свое состояние.

Предыдущий рекорд измеренного гравитационного замедления времени составлял 33 сантиметра — то есть восприятие времени «официально» менялось каждые 0,33 метра. Теперь же ученые смогли улучшить этот показатель до одного миллиметра — это означает, что, скорее всего, каждый микрон пространства имеет свои «внутренние часы». Разница между ними настолько маленькая, что мы этого никогда не заметим, однако для точных расчетов ученых это имеет колоссальное значение — однако, об этом ниже. Сейчас мы вкратце расскажем о процессе.

Чтобы уловить эту разницу, физики расположили 100 тыс. атомов стронция в решетке — то есть, атомы располагались на разной высоте, как на лестнице. Затем ученые ударили по ним лучами света, и на каждой «ступени» атомы реагировали по разному — быстрее или медленнее, в зависимости от высоты, на которой они находились.

Собрав данные за 90 часов работы и сравнив «тиканье» верхней и нижней части часов, исследователи определили, что их метод может измерять относительную скорость тиканья с точностью до 0,76 миллионной триллионной доли процента.

Это и продемонстрировало разное течение времени в наименшем масштабе, который мы видели до сих пор: две половинки этих часов разошлись бы на секунду времени приблизительно через 4 триллиона лет их работы.

Почему это важно?

Мы можем изменить время. Буквально. То есть, ученые могут обновить длительность одной секунды. Сейчас ее продолжительность определяется с использованием атомных часов более раннего поколения — новые часы точнее, а значит, смогут лучше «высчитать» каждую единицу измерений времени.

Также мы сможем повысить точность GPS и других спутниковых навигационных сетей.

Для ученых существует еще более интригующий способ использования новых часов, о котором Джун Е и коллеги пишут в своей статье. Дело в том, что мы до сих пор не можем найти, каким образом пересекаются между собой две самых главных физических теории.

Если теория Эйнштейна описывает все, что окружает нас в виде пространства-времени и объясняет взаимодействие всех объектов во Вселенной с помощью гравитации, то квантовая механика отвечает за микромир — взаимодействие элементарных частиц. Здесь гравитация не имеет никакой силы, а вместо нее работают сразу три вида взаимодействия — электромагнитное, сильное и слабое. Возможно, теперь ученые смогут решить самую сложную и одновременно важную загадку физики — объединить ОТО Эйнштейна и квантовую механику в единую теорию всего.

«Атомные часы теперь настолько точны, что их можно использовать для поиска темной материи», — говорит физик-теоретик Виктор Фламбаум из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее.

Мы до сих пор не представляем, что это такое, несмотря на то, что она занимает более четверти нашей Вселенной. Это неизвестная нам структура, которая своей гравитацией удерживает вместе планеты, звезды, галактики — в общем, всю известную нам материю, которая без этого воздействия просто разлетелась бы по всему космосу. Однако зафиксировать ее мы не можем, поскольку это нечто, что не отражает никакой свет. Ученые предполагают, что определенные гипотетические типы темной материи могут менять течение времени и новые сверхточные часы смогут это зафиксировать.

В конце концов, новые атомные часы в целом помогут нам лучше понимать, что же происходит во Вселенной. Например, они смогут помочь ученым обнаруживать гравитационные волны, предупреждая исследователей о крошечных изменениях времени, вызванных этой пространственно-временной рябью.