Sepasang Jam Atom Aluminium Mengungkapkan Relativitas Einstein pada Skala Pribadi

Livejurnal69 - Para ilmuwan telah dikenal selama puluhan tahun bahwa waktu berlalu lebih cepat pada ketinggian yang lebih tinggi - sebuah aspek penasaran teori relativitas Einstein yang sebelumnya telah diukur dengan membandingkan jam di permukaan bumi dan roket terbang tinggi.

Sekarang, fisikawan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) telah mengukur efek ini pada skala bawah-ke-bumi lebih dari 33 sentimeter, atau sekitar 1 kaki, menunjukkan, misalnya, bahwa usia Anda lebih cepat ketika Anda berdiri pasangan langkah-langkah yang lebih tinggi di tangga.

Digambarkan dalam jurnal edisi 24 September of Science, perbedaan tersebut terlalu kecil bagi manusia untuk melihat langsung - menambahkan hingga sekitar 90 miliar detik selama seumur hidup 79 tahun - tetapi mungkin menyediakan aplikasi praktis dalam geofisika dan bidang lainnya .

Demikian pula, para peneliti NIST mengamati aspek lain dari relativitas - yang waktu berlalu lebih lambat ketika Anda bergerak lebih cepat - dengan kecepatan sebanding dengan mobil perjalanan sekitar 20 kilometer per jam, skala dipahami lebih dari pengukuran sebelumnya dibuat dengan menggunakan pesawat jet.

ilmuwan NIST melakukan "dilatasi waktu" baru eksperimen dengan membandingkan operasi dari sepasang jam terbaik di dunia atom eksperimental. Jam hampir identik masing-masing berdasarkan "ticking" dari aluminium ion tunggal (atom bermuatan listrik) seperti bergetar antara dua tingkat energi lebih dari satu juta miliar kali per detik. Satu jam terus waktu ke dalam waktu 1 detik di sekitar 3,7 miliar tahun dan yang lainnya dekat di belakang dalam kinerja. Dua jam berada di laboratorium yang berbeda pada NIST dan terhubung dengan serat optik 75-meter-panjang.

aluminium NIST jam - juga disebut "kuantum jam logika" karena mereka meminjam logis pengambilan keputusan teknik dari komputasi kuantum eksperimental - yang tepat dan cukup stabil untuk mengungkapkan perbedaan kecil yang tidak bisa dilihat sampai sekarang. Jam beroperasi dengan bersinar sinar laser pada ion pada frekuensi optik, yang lebih tinggi dari frekuensi gelombang mikro yang digunakan dalam standar hari ini jam atom yang didasarkan pada atom cesium.

jam Optical suatu hari nanti bisa menimbulkan standar waktu 100 kali lebih akurat dibandingkan jam standar saat ini.

Jam aluminium dapat mendeteksi efek relativitas kecil berbasis karena ekstrim dan presisi tinggi "faktor Q" - sebuah kuantitas yang mencerminkan bagaimana andal ion menyerap dan mempertahankan energi optik dalam mengubah dari satu tingkat energi ke yang lain - kata peneliti postdoctoral NIST James Chin-Wen Chou, penulis pertama kertas.

"Kami telah mengamati faktor Q tertinggi dalam fisika atom," kata Chou. "Anda dapat berpikir tentang hal ini sebagai berapa lama garpu tala akan bergetar sebelum kehilangan energi yang tersimpan dalam struktur beresonansi. Kami memiliki ion osilasi sinkron dengan frekuensi laser untuk sekitar 400 ribu milyar siklus."

Percobaan NIST difokuskan pada dua skenario diprediksi oleh teori relativitas Einstein. Pertama, ketika dua jam dikenakan gaya gravitasi yang tidak sama karena berbagai ketinggian mereka di atas permukaan bumi, jam tinggi - mengalami gaya gravitasi yang lebih kecil - berjalan lebih cepat. Kedua, ketika seorang pengamat bergerak, centang jam stasioner yang tampaknya berlangsung lebih lama, jadi jam tampaknya berjalan lambat. Para ilmuwan menyebut ini sebagai "paradoks kembar," di mana saudara kembar yang bepergian di kapal roket yang bergerak cepat akan pulang lebih muda dari kembar lainnya. Faktor penting adalah percepatan (percepatan dan perlambatan) dari kembar perjalanan dalam membuat perjalanan pulang-pergi.

ilmuwan NIST diamati efek ini dengan melakukan perubahan tertentu dalam salah satu dari dua jam aluminium dan mengukur Selisih tarif relatif dua ion 'berdetak, atau frekuensi.

Dalam satu set percobaan, ilmuwan mengangkat salah satu jam dengan mendongkrak meja laser untuk ketinggian sepertiga dari satu meter (sekitar kaki) di atas jam kedua. Benar saja, jam tinggi berlari pada tingkat yang sedikit lebih cepat daripada clock yang rendah, persis seperti yang diperkirakan.

Set kedua percobaan meneliti efek dari mengubah gerak fisik ion dalam satu jam. (Ion-ion yang hampir sepenuhnya bergerak selama operasi jam normal.) NIST ilmuwan tweak ion satu sehingga berputar kembali dan sebagainya pada kecepatan setara dengan beberapa meter per detik. Bahwa jam berdetak pada tingkat yang sedikit lebih lambat dari jam kedua, seperti yang diperkirakan oleh relativitas. Bertindak ion bergerak seperti kembar bepergian dalam paradoks kembar.

perbandingan tersebut dari jam super-tepat akhirnya mungkin berguna di geodesi, ilmu pengukuran bumi dan medan gravitasi, dengan aplikasi di geofisika dan hidrologi, dan mungkin dalam tes ruang berbasis teori fisika dasar, menunjukkan fisikawan Hingga Rosenband, pemimpin Tim ion aluminium NIST's clock.

ilmuwan NIST berharap untuk meningkatkan ketepatan aluminium jam lebih jauh, sebanyak 10 kali lipat, melalui perubahan geometri ion perangkap dan kontrol yang lebih baik gerak ion dan gangguan lingkungan. Tujuannya adalah untuk mengukur perbedaan dalam ketepatan waktu cukup baik untuk mengukur ketinggian dengan akurasi 1 sentimeter, tingkat kinerja yang cocok untuk melakukan pengukuran geodetik. Makalah ini mengusulkan bahwa jam optik dapat dikaitkan untuk membentuk jaringan "pedalaman pengukur pasang surut" untuk mengukur jarak dari permukaan bumi ke geoid (permukaan medan gravitasi bumi yang sesuai permukaan laut global rata-rata). Seperti jaringan dapat diperbarui jauh lebih sering daripada teknik saat ini.