Pengukuran baru yang inovatif mengkonfirmasi salah satu teori deviasi Einstein yang paling menarik

Ketika datang ke pengujian Hipotesis ilmiah, beberapa disiplin ilmu memilikinya lebih mudah daripada yang lain. Di laboratorium biologi, misalnya, Anda mungkin memiliki sel hidup untuk ditusuk dan didorong, atau di laboratorium kimia, Anda mungkin dapat melihat reaksi senyawa kimia dengan jelas. Tetapi bagi fisikawan yang mempelajari fenomena tak kasat mata seperti gravitasi Dan waktu, membuktikan prediksi ilmiah bisa menjadi sedikit lebih sulit.

Secara khusus, fisikawan memiliki sejarah yang – secara harfiah – berusaha keras untuk menguji teori Albert Einstein tentang Relativitas umum Melalui lonceng yang tidak koheren dari jam atom yang sangat akurat. jam atom Mereka dibawa ke puncak gedung-gedung tinggi, terbang di pesawat, dan bahkan di pesawat ruang angkasa untuk mencari jawaban. Sekarang, peneliti dari Lembaga Penelitian JILA Berikan pengukuran paling akurat hingga saat ini dari pertanyaan ini pada skala 1 milimeter di selembar kertas diterbitkan Rabu di majalah sifat pemarah.

Toby Bothwell Dia adalah penulis pertama di atas kertas dan mahasiswa pascasarjana di University of Colorado, Boulder. Mengatakan terbalik Bahwa pengukuran baru ini dibuat di belakang beberapa dekade penelitian saat ini.

Pada tahun 2010 peneliti di NIST [National Institute of Standards & Technology] Bandingkan dua jam aluminium yang dipisahkan secara vertikal sejauh 30 cm, yang merupakan jarak terkecil sebelum hasil ini,” kata Bothwell. “Kami membuat perangkat eksperimental baru menggunakan hasil terbaru dari kemajuan beberapa dekade… skala sekitar 200 mikron, tidak Jauh lebih besar dari rambut manusia – dan faktor 1.000 kali lebih kecil dari hasil terbaik sebelumnya. “

Berikut adalah latar belakang – Dari sudut pandang manusia, waktu adalah satu-satunya mata uang yang tidak dapat kita manipulasi. Kita menua dengan kecepatan yang sama setiap hari dan waktu bergerak dengan kecepatan yang sama untuk semua makhluk hidup – seperti kata pepatah, kita semua memiliki jam yang sama dalam sehari seperti Beyoncé.

Kecuali, menurut prediksi tahun 1915 oleh Einstein, ini mungkin sebenarnya salah secara fundamental.

Menurut teori relativitas umumnya, Einstein mendalilkan bahwa gravitasi sebenarnya dapat mempengaruhi aliran waktu dan bahwa benda-benda yang lebih jauh dari gravitasi Bumi (misalnya, jam atom di pesawat terbang) harus “melewati” perjalanan waktu dalam waktu singkat. waktu tetapi tingkat yang sangat berbeda. Gagasan bahwa pengalaman waktu tidak statis disebut “pelebaran waktu”.

Untuk ilmuwan seperti Bothwell, efek dilatasi waktu ini dapat diukur menggunakan jam atom yang sangat akurat dan dapat membantu tidak hanya mengkonfirmasi teori Einstein tetapi juga mengungkapkan lebih banyak tentang hubungan antara mekanika kuantum dan gravitasi.

mengapa itu penting – Meskipun merupakan gaya yang kita alami setiap hari, gravitasi sebenarnya adalah salah satu gaya fundamental yang kurang cocok dengan gaya lain di alam semesta kita, termasuk gaya elektromagnetisme dan nuklir. Telah diketahui dengan baik bahwa gravitasi dan mekanika kuantum tidak bercampur dan mewakili kesenjangan besar antara pemahaman kita tentang seluruh dunia manusia dan dunia partikel yang dikendalikan kuantum.

john kamu Dia adalah rekan penulis makalah dan peneliti utama untuk JILA Research Group. Dia mengatakan percobaan atom masa depan pada skala ini atau lebih kecil bisa menjadi langkah penting menuju pemahaman bagaimana gravitasi bekerja pada skala kecil.

“Dalam dunia kuantum mikroskopis, atom terkadang diwakili oleh gelombang kuantum [and] panjang gelombang kuantum[s] Itu dapat meluas hingga beberapa mikron, “kata Ye terbalik. “Kami ingin jam kami mendapatkan sensitivitas sehingga pada skala panjang gelombang ini dapat memberi tahu kami bahwa waktu berevolusi secara berbeda, semua karena tubuh Ibu Pertiwi yang sangat mikroskopis.”

Selain itu, Bothwell mengatakan bahwa pengukuran yang lebih akurat dari ekspansi ini juga memiliki tujuan praktis untuk mengoreksi akumulasi kesalahan GPS yang disebabkan oleh jam yang menyimpang dan bahkan suatu hari berfungsi sebagai sistem peringatan dini untuk letusan gunung berapi dengan mendeteksi perubahan kecil pada ketinggian Bumi. Kerak.

Apa yang mereka lakukan – Untuk melakukan pengukuran ini, tim melihat 100.000 atom strontium ultra-dingin di lab mereka yang terperangkap di dalam kisi optik, yang digambarkan Yi dalam video percobaan sebagai tumpukan kue dadar.

Tim kemudian mengiris tumpukan atom “kue” ini, memisahkannya sejauh 1 milimeter. Mereka melaporkan bahwa atom mampu mempertahankan keadaan energi gabungan mereka selama 37 detik sebelum efek pelebaran waktu bertahan dan mendorong jam sedikit keluar dari keselarasan. Dengan lebih dari 90 jam data, tim mampu mengukur sedikit dekoherensi ini dengan akurasi 50 kali lebih besar daripada perbandingan jam atom sebelumnya.

Lalu bagaimana – Ke depan, Bothwell mengatakan tim bersemangat untuk bekerja memperpendek jarak antara jam retina lebih jauh. Melalui karya ini, ia berharap bisa semakin dekat memahami hakikat ruangwaktu itu sendiri.

“Perjalanan kita masih panjang sebelum jam seperti itu peka terhadap kelengkungan ruang-waktu dan menimbulkan pertanyaan tentang hubungan gravitasi dan mekanika kuantum,” kata Bothwell. “[But] Dengan laser yang ditingkatkan, kami dapat mengukur pelebaran waktu hingga di bawah skala 100 mikron, dan terus mendorong kepekaan terhadap kelengkungan ruang-waktu.”

Ringkasan – Teori relativitas umum Einstein menyatakan bahwa jam dengan potensi gravitasi yang berbeda berdetak pada tingkat yang berbeda relatif terhadap koordinat laboratorium – efek yang dikenal sebagai pergeseran merah gravitasi. Sebagai probe dasar ruang dan waktu, jam atom telah lama bekerja untuk menguji prediksi ini pada jarak mulai dari 30 sentimeter hingga ribuan kilometer. Pada akhirnya, jam akan memungkinkan studi tentang penyatuan relativitas umum dan mekanika kuantum begitu mereka menjadi sensitif terhadap fungsi gelombang hingga objek kuantum yang berosilasi dalam ruang-waktu melengkung. Dalam arah sistem ini, kami mengukur gradien frekuensi linier yang sesuai dengan pergeseran merah gravitasi dalam sampel strontium ultra-dingin skala milimeter tunggal. Hasil kami dimungkinkan dengan meningkatkan ketidakpastian dalam pengukuran frekuensi parsial lebih dari 10 kali, sekarang mencapai 7,6 × 10−21. Ini menandakan sistem operasi jam baru yang memerlukan koreksi dalam sampel untuk gangguan gravitasi.