Teorie relativity Alberta Einsteina publikované na počátku 20.století zásadně změnily naše chápání času. Ukázali, že čas není absolutní; místo toho může být ovlivněn pohybem – zejména hodiny pohybující se rychle nebo zrychlující zažívají jev známý jako zpomalení času, při kterém jdou pomaleji než nehybné hodiny. Ačkoli byl tento efekt pozorován u relativně velkých objektů, vědci nyní zkoumají nový způsob, jak jej otestovat v neuvěřitelně malém měřítku pomocí ultrachladných atomů a struktur založených na světle.
Příprava na výzkum: zpomalení času a ultrachladná fyzika
Zpomalení času není jen teoretický rozmar; je klíčovou složkou moderní fyziky a má praktické důsledky, jako je práce satelitů GPS, které musí vzít v úvahu relativistické efekty pro přesné fungování. Podle moderního chápání, čím rychleji se objekt pohybuje nebo čím více je náchylný k zrychlení, tím více se jeho čas zpomaluje ve vztahu k nehybnému pozorovateli. Tento princip platí také pro kruhový pohyb, což znamená, že pohyb v kruhu může také způsobit zpomalení času.
K prozkoumání těchto účinků na kvantové úrovni využívá tým vedený Vasilisem Lembessisem z univerzity krále Sauda sílu ultrachladné fyziky. Při teplotách jen zlomek stupně nad absolutní nulou-neuvěřitelně nízké teplotě-se kvantové vlastnosti atomů a molekul stávají mnohem lépe ovladatelnými. Přesnou manipulací s atomy a molekulami pomocí laserů a elektromagnetických polí mohou vědci zkoumat účinky rotace a zrychlení s bezprecedentními detaily.
“Optická horská dráha” a kvantové hodiny
V roce 2007 Lembessis a jeho spoluautoři vyvinuli metodu zachycování a otáčení atomů uvnitř tvaru válce pomocí pečlivě vyladěných laserových paprsků. Tuto strukturu vtipně nazvali “optické horské dráhy” a jejich nejnovější výzkum naznačuje, že tyto drobné struktury mohou poskytnout ideální platformu pro pozorování relativistického zpomalení času v kvantové sféře.
- Výzkumníci konkrétně navrhují použití molekul dusíku jako testovaných subjektů*. Považují pohyb elektronů uvnitř těchto molekul za vnitřní “hodiny”. Pozorováním rotace molekul uvnitř ” optické horské dráhy “doufají, že detekují drobné posuny v” tikající frekvenci ” — v podstatě detekují účinek zpomalení času. Potenciální přesnost těchto měření je pozoruhodná: vědci se snaží detekovat změny, které tvoří jednu desetinnou část quatrlionu.
Nová hranice pro testy teorie relativity
Zatímco koncept použití “optických horských drah” je atraktivní, experimenty s používáním těchto zařízení byly dosud relativně vzácné. * Tato nová věta proto otevírá dveře do nového prostoru pro testování teorie relativity*, kde se mohou objevit dříve neprozkoumané účinky. Kvantová povaha těchto ultrachladných částic může dokonce zpochybnit základní “hypotézu hodin” – předpoklad, že zrychlení objektu přímo ovlivňuje jeho vnímání času.
“Je důležité kontrolovat a potvrzovat naše chápání fyzikálních jevů v přírodě,” vysvětluje Patrick Oberg z Heriot Watt University. “To je, když dostaneme překvapení, něco neočekávaného, že musíme přehodnotit naše chápání a získat hlubší pochopení vesmíru.”
Výhody a obtíže
Jednou z klíčových výhod tohoto přístupu je, že eliminuje potřebu extrémně vysokých rychlostí, které jsou obvykle nutné k pozorování relativistických účinků. Aidan Arnold z University of Strathclyde poznamenává: “s neuvěřitelnou přesností atomových hodin… změna času” pociťovaná “atomy” horské dráhy”musí být patrná.” Kromě toho krátké vzdálenosti, které atomy procházejí během své rotace, poskytnou široké možnosti pro přesná měření.
Sledované prostředí “optické horské dráhy” slibuje odhalit nové poznatky o interakci mezi kvantovou mechanikou a obecnou teorií relativity.
Výzkum není bez překážek. * Významným technickým úkolem bude zabránit zahřívání atomů nebo molekul*, což narušuje jejich řízený pohyb a znemožní experiment. Vědci se však domnívají, že potenciální odměny – hlubší pochopení teorie relativity v kvantovém měřítku – ospravedlňují úsilí. Pečlivým sledováním laserových paprsků lze velikost “horské dráhy”, a tedy rotaci atomů, konfigurovat tak, aby testoval efekt zpomalení času pro různé rychlosti rotace.
Potenciál tohoto přístupu spočívá v jeho schopnosti testovat základy našeho chápání prostoru a času a objevovat nové poznatky o základních zákonech vesmíru.
