تقيس الساعة الذرية وقت آينشتاين

أول قياس لتأثير الجاذبية في الوقت المحدد باستخدام ساعة ذرية بصرية متنقلة

عرض في الداخل من ساعة ذرية السترونتيوم. هذه الساعة يمكنها الآن أيضًا إجراء قياسات الأجهزة المحمولة. © Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
قراءة بصوت عال

الساعة الذرية في نفق جبال الألب: قام الباحثون لأول مرة بقياس الفرق الزمني للجاذبية بين قمة الجبل والوادي باستخدام ساعة ذرية بصرية متنقلة. اقتيدت ساعة السترونتيوم ، التي وضعت على مقطورة سيارة ، إلى نفق جبلي في جبال الألب ومقارنة بساعة مرجعية أقل من 1000 متر. مثل هذه القياسات يمكن أن تؤدي في المستقبل إلى تشويه وقت آينشتاين ، ولكن أيضًا بيانات الارتفاع يمكن قياسها بدقة أكبر ، وفقًا للباحثين في مجلة Nature Physics.

الساعات الذرية البصرية هي أجهزة ضبط الوقت الأكثر دقة لدينا. وهي تحدد الوقت عبر تغيرات حالة ذرات السترونتيوم شديدة البرودة أو ذرات الإيتربيوم. يتم تشعيع الذرات التي يتم التقاطها في شبكة ليزر باستخدام ليزر ثاني وبالتالي يتم تحفيزها لتغيير حالة الطاقة لديها. تواتر الضوء الذي تغير فيه الذرات حالة الطاقة لديها كمرجع للثاني.

الساعة الذرية في سيارة مقطورة

لفترة طويلة ، كانت هذه الساعات الذرية الضوئية حساسة للغاية للعمل في أي مكان آخر غير المختبر المحمي - حتى الآن. بعد كل شيء ، صمم العلماء في Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) في براونشفايغ ساعة ذرية من السترونتيوم متحركة: الهيكل بأكمله ، بما في ذلك أشعة الليزر ووحدات التبريد الأكثر دقة ، مثبت في عربة مقطورة مثبتة بالاهتزاز وثبات درجة الحرارة.

لقد أكمل اختبارهم الرئيسي الأول هذه الساعة الذرية الضوئية المتنقلة. لهذا السبب ، قام جاكوبو غروتي من PTB وزملاؤه بنقل الساعة الذرية من السترونتيوم إلى مختبر تحت الأرض في نفق فريوس في جبال الألب الفرنسية. في حين أن الساعة المحمولة تقاس الوقت ، أجرى العلماء قياسًا مقارنًا في تورينو ، على بعد 90 كم - وهو موقع يقل 1000 متر عن نفق الجبل.

تمدد وقت آينشتاين

الشيء المثير في الأمر: منذ ألبرت أينشتاين نعلم أن الوقت يمتد بسرعة عالية ، ولكن أيضًا بسبب تأثير الجاذبية. لذلك ، يجب أن تعمل الساعة في الوادي أبطأ قليلاً من الوقوف على قمة جبل. الساعات الذرية في السترونتيوم دقيقة بدرجة كافية لقياس هذا التأثير - على افتراض أنها تملأ الجبل. عرض

مقطورة السيارة مع ساعة السترونتيوم الضوئية القابلة للنقل في نفق جبال الألب. Lisdat / PTB

هذا هو بالضبط ما تم تحقيقه. "هذه هي أول حملة قياس ميدانية بساعة ذرية من السترونتيوم قابلة للنقل" ، يلاحظ جروتي وزملاؤه. على الرغم من الظروف المثالية في النفق الجبلي ، فقد تمكنوا من قياس الفرق الزمني للجاذبية بين الجبل والوادي. وقالوا "لقد قمنا بقياس الانزياح نحو الأحمر 47.92 هيرتز". هذه القيمة تتفق بشكل جيد مع تلك التي تحددها الأساليب الكلاسيكية.

مساعدة في تحديد الارتفاع

يقول الباحثون: "هذه هي أول مظاهرة لتحديد الارتفاع الكرونومتري باستخدام ساعة ذرية محمولة". ومع ذلك ، يجب إزالة الأعطال ويجب أن تكون ساعة الهاتف المحمول أكثر دقة. ولكن في المستقبل ، يمكن أن تساعد هذه الساعات البصرية المحمولة

لتحديد تمدد وقت آينشتاين وخطورته بدقة أكبر من قياسات الأقمار الصناعية.

على سبيل المثال ، سيتمكن العلماء من مراقبة التغيرات في مستوى سطح البحر وتيارات المحيط بدقة غير مسبوقة. في الوقت نفسه ، يمكن لقياسات الارتفاع عبر إمكانات الجاذبية أن تساعد في توحيد تقنيات القياس ومراجع الارتفاع في مشاريع البناء وبالتالي تجنب الأخطاء. حتى الآن ، تستخدم البلدان قيمًا مختلفة لمستوى سطح البحر كمرجع لقياسات ارتفاعها. نتيجة لذلك ، غالباً ما تواجه مشاريع النفق أو الجسور عبر الحدود انحرافات.

وأوضح الباحثون أن قياسات الارتفاع المدعوم بالساعة الذرية أتاحت توحيد النظام وبالتالي تجنب مثل هذه المشكلات في مشاريع الهندسة والتصميم. (فيزياء الطبيعة ، 2018 ؛ دوي: 10.1038 / s41567-017-0042-3)

(Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ، 13.02.2018 - NPO)