Змінити час. Вчені створили найточніший годинник в історії, який допоможе вирішити найважливішу загадку фізики

Виникає логічне запитання — як пов’язана маса об'єкта і час? Цей ефект називається гравітаційним уповільненням часу. Тут працює такий ланцюжок: чим більшу масу має тіло, тим сильніше його гравітаційне поле — тим сильніше він деформує тканину простору-часу — тим швидше рухається сам об'єкт — тим повільніше плине час поруч з ним.

Практичним доказом цієї частини ЗТВ став експеримент, проведений NASA і астронавтами-близнюками Скоттом і Марком Келлі. Скотт провів майже півтора року на МКС, яка обертається навколо Землі зі швидкістю близько 28 тис. км/год. У підсумку він став на додаткові 5 мілісекунд старшим за свого брата.

Те ж працює і на Землі — наприклад, на вершині Евересту час рухається трохи повільніше, ніж на рівні моря. Ви навряд чи помітите цю різницю — близько мільярдної частки секунди — однак вона існує.

Зовсім інша історія з чорними дірами — одними з найважчих і гравітаційно сильних об'єктів у Всесвіті. Вони настільки відрізняються від інших небесних тіл, що людина, яка (теоретично, звичайно ж) потрапить у чорну діру, зможе продемонструвати різницю в часі, яка може виявитися настільки великою, що це важко усвідомити. Людина може провести там один день, коли для стороннього спостерігача — наприклад, астрофізиків, які будуть стежити за ним з Землі, — може минути рік, два і навіть десятиліття.

Однак, щоб помітити, як час по-різному працює для різних об'єктів, нам не потрібно вирушати ні так далеко в космос, ні навіть на Еверест або Говерлу. Потрібно лише подивитися на досить точний годинник.

Найточніший годинник

Фізики з Університету Колорадо під керівництвом Джуна Є і Хідетоші Яторі з Токійського університету незалежно один від одного «відіграли ключову роль у створенні годинника з оптичною решіткою, яка дасть можливість перевірити фундаментальні закони природи з високою точністю». Саме так сформулював їхні досягнення журі Премії за прорив у фундаментальній фізиці — за своє відкриття вони розділили приз у $3 млн.

Годинники з оптичними гратками — наступний крок в еволюції традиційного атомного годинника, який відраховує час за допомогою зміни стану атомів. Так, одна секунда дорівнює 9 192 631 770 періодів електромагнітного випромінювання, яке змушує електрони в атомі цезію змінювати свій стан.

Попередній рекорд виміряного гравітаційного уповільнення часу становив 33 сантиметри — тобто сприйняття часу «офіційно» змінювалося кожні 0,33 метра. Тепер же вчені змогли поліпшити цей показник до одного міліметра — це означає, що, швидше за все, кожен мікрон простору має свій «внутрішній годинник». Різниця між ними настільки маленька, що ми цього ніколи не помітимо, однак для точних розрахунків вчених це має колосальне значення — але про це далі. Зараз ми стисло розповімо про процес.

Щоб помітити цю різницю, фізики розташували 100 тис. атомів стронцію в решітці — тобто атоми розташовувалися на різній висоті, як на сходах. Потім вчені вдарили по них променями світла, і на кожному «щаблі» атоми реагували по-різному — швидше або повільніше, залежно від висоти, на якій вони перебували.

Зібравши дані за 90 годин роботи і порівнявши «цокання» верхньої і нижньої частини годинника, дослідники визначили, що їх метод може вимірювати відносну швидкість цокання з точністю до 0,76 мільйонної трильйонної частки відсотка.

Це і продемонструвало різний перебіг часу в наименшому масштабі, який ми бачили досі: дві половинки цього годинника розійшлися б на секунду часу приблизно через 4 трильйони років їх роботи.

Чому це важливо?

Ми можемо змінити час. Буквально. Тобто вчені можуть оновити тривалість однієї секунди. Зараз її тривалість визначається з використанням атомного годинника більш раннього покоління — новий годинник точніший, а отже, зможе краще «вирахувати» кожну одиницю вимірювань часу.

Також ми зможемо підвищити точність GPS й інших супутникових навігаційних мереж.

Для вчених існує ще більш інтригуючий спосіб використання нового годинника, про який Джун Е і колеги пишуть у своїй статті. Річ у тім, що ми досі не можемо знайти, яким чином перетинаються між собою дві найголовніші фізичні теорії.

Якщо теорія Ейнштейна описує все, що оточує нас у вигляді простору-часу і пояснює взаємодію всіх об'єктів у Всесвіті за допомогою гравітації, то квантова механіка відповідає за мікросвіт — взаємодію елементарних частинок. Тут гравітація не має жодної сили, а замість неї працюють відразу три види взаємодії — електромагнітна, сильна і слабка. Можливо, тепер вчені зможуть вирішити найскладнішу і водночас важливу загадку фізики — об'єднати ЗТВ Ейнштейна і квантову механіку в єдину теорію всього.

«Атомні годинники тепер настільки точні, що їх можна використовувати для пошуку темної матерії», — запевняє фізик-теоретик Віктор Фламбаум з Університету Нового Південного Уельсу в Сіднеї.

Ми досі не уявляємо, що це таке, незважаючи на те, що вона займає більше чверті нашого Всесвіту. Це невідома нам структура, яка своєю гравітацією утримує разом планети, зірки, галактики — загалом усю відому нам матерію, яка без цього впливу просто розлетілася б по всьому космосу. Однак зафіксувати її ми не можемо, оскільки це щось, що не відображає жодного світла. Вчені припускають, що певні гіпотетичні типи темної матерії можуть змінювати протягом часу і нові надточні годинники зможуть це зафіксувати.

Зрештою нові атомні годинники в цілому допоможуть нам ліпше розуміти, що ж відбувається у Всесвіті. Наприклад, вони зможуть допомогти вченим виявляти гравітаційні хвилі, попереджаючи дослідників про незначні зміни часу, викликані цією просторово-часовою брижею.