Einstein milliméterre pontosan jósolt

Albert Einstein 1921-ben, a fizikai Nobel-díj elnyerésének évében. Einstein 1916-ban publikálta az általános relativitáselméletet

Einstein általános relativitáselmélete azt jósolja, hogy az idő múlása függ a gravitációs mezőben elfoglalt helyzettől. Az amerikai JILA fizikusainak kísérletében két atomóra közül az egyik csupán egy milliméterrel volt magasabban, mint a másik, de már más tempóban ketyegtek.

A JILA fizikusai az eddigi legkisebb méretskálán ellenőrizték Albert Einstein általános relativitáselméletének érvényességét. Egészen pontosan az idődilatációnak nevezett hatást igazolták két parányi atomóra segítségével, amelyeket bár mindössze egy milliméter távolságra helyeztek el egymástól, mégis – az elmélettel összhangban – eltérő sebességgel ketyegtek.

A Nature folyóirat legújabb számában megjelent cikk javaslatot tesz arra, hogyan lehet a mai legjobbaknál 50-szer pontosabb atomórát építeni, és felvázol egy lehetséges útvonalat annak felderítésére, miként lép kölcsönhatásba a gravitáció és a relativitás a kvantummechanikával. Bár mindkét nagy fizikai elmélet immár több mint egy évszázados, az összeházasításuk továbbra is a tudományág megoldatlan kihívásai közé tartozik.

A JILA fizikai kutatóintézet (eredetileg: Joint Institute for Laboratory Astrophysics, innen a betűnév) a Coloradoi Egyetem (Boulder) és a National Institute of Standards and Technology (NIST; Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet) közös felügyelete alatt működik.

„A legfontosabb és legizgalmasabb eredmény az, hogy esélyünk van összekötni a kvantumfizikát a gravitációval, például komplex fizikai jelenségeket vizsgálni úgy, hogy a részecskék a görbült téridő különböző pontjain helyezkednek el – magyarázta Jun Ye, a NIST/JILA kutatója. –

Ami pedig az időmérést illeti, a tanulmányunkból az is kiderül, hogy semmi akadálya a maiaknál 50-szer pontosabb órákat építeni, ami fantasztikus hír."

Einstein 1915-ben megalkotott általános relativitáselmélete olyan nagyléptékű hatásokat magyaráz meg, mint a gravitáció és az idő összefüggése, és fontos gyakorlati alkalmazásai is vannak egyebek között a GPS-műholdas mérések korrekciójában. Bár az elmélet elmúlt száz éves, sok vonatkozása továbbra is izgalomban tartja a fizikusokat. A NIST tudósai atomórákat használtak érzékelőnek a relativitás egyre pontosabb méréséhez, s a folyamat végén remélhetőleg magyarázatot kapunk arra, miként érvényesülnek a relativisztikus hatások a szubatomi világot leíró kvantummechanikában.

Forrás: Wikimedia Commons/Ferdinand Schmutzer

Az általános relativitáselmélet azt jósolja, hogy egy gravitációs mezőben a különböző magasságú pontokon elhelyezett atomórák eltérő ütemben ketyegnek. Az atomok sugárzási frekvenciája csökken – vagyis az elektromágneses spektrum vörös vége felé tolódik el –, ha erősebb gravitációs mezőben, esetünkben a Földhöz közelebb tartózkodnak. Ebből következően egy atomóra (vagy, ami azt illeti, bármilyen óra) annál lassabban jár, minél alacsonyabban van. Ezt a hatást már számos alkalommal kimutatták: a NIST fizikusai például 2010-ben két, egymástól függőleges irányban 33 centiméterre elhelyezett óra járását hasonlították össze, és azok pontosan az elmélet jóslatának megfelelően viselkedtek.

A JILA kutatói ezúttal egyetlen, kb. 100 ezer darab ultrahideg stronciumatomból álló minta alja és teteje közötti frekvenciaeltolódást mérték ki. Az atomokat a csoport korábbi atomóráihoz hasonló elrendezésben egy optikai rácsra építették rá. A rácsot úgy képzelhetjük el, mint lézerfénnyel kialakított palacsinták egymásra halmozott rétegeit. A most használt rács különlegesen nagy, lapos és vékony palacsintákból állt, amelyeket a szokásosnál alacsonyabb intenzitású fénnyel alakítottak ki. A rácsnak ez a fajta kiképzése csökkenti a fény és az atomok szóródása által rendesen keltett torzulásokat, homogenizálja a mintát, és kiterjeszti az atomok anyaghullámait, amelyeknek az alakja meghatározza azt, milyen valószínűséggel találunk meg egy atomot egy adott lokalizációban. Az atomok energiaállapotai annyira jól kontrolláltak ebben a rendszerben, hogy valamennyien rekordideig, 37 másodpercig ketyegtek tökéletes uniszónóban. Ez mindeddig a leghosszabb ideig megfigyelt ún. kvantumkoherencia.

A mostani eredményhez nagyban hozzájárult Ye csoportjának képalkotási innovációja, amellyel kirajzolták a teljes minta frekvenciaeloszlásának mikroszkópi léptékű térképét. Szintén újításnak számít az, hogy nem két külön atomórát használtak, hanem egyetlen atomfelhő két területét hasonlították össze.

Illusztráció Forrás: Pixabay

Az atomfelhő két vége között mért vöröseltolódás csakugyan parányinak, nagyságrendileg 0,0000000000000000001-nek adódott, ami egybecseng a modell jóslataival. Bár egy ilyen különbség messze túl kicsi ahhoz, hogy az emberi érzékek észrevegyék, az univerzum léptékeire kivetítve, vagy a technológia – például a GPS – szempontjából igenis jelentős hatások származnak belőle. A kutatócsoport az ilyen kísérletekben szokásoshoz képest hamar, mindössze 30 percnyi adatátlagolás után kimérte a különbséget. 90 órányi megfigyelés után pedig a mérési pontosságuk már 50-szerese volt bármelyik korábbi óra-összehasonlításénak.

Teljesen új játszma kezdődik ezzel. Olyan új területe nyílik meg a fizikának, ahol a görbült téridőben tudjuk vizsgálni a kvantummechanikát

– nyilatkozta Ye. – Ha már csak 10-szer pontosabban tudnánk mérni a vöröseltolódást, láthatnánk az atomok teljes anyaghullámait a téridő görbületén át. Azzal, hogy ezen az elképesztően parányi skálán tudunk mérni időkülönbségeket, felfedezhetjük egyebek között, hogy a gravitáció tönkreteszi a kvantumkoherenciát – ami végső soron magyarázatot adna arra, miért viselkedik a mi makroléptékű világunk klasszikus módon."

A maiaknál pontosabb órák az időmérésen és a navigáción kívül számos más felhasználási területen is hasznosnak bizonyulhatnak.

Ye szerint az atomórákat használhatjuk egyfelől mikroszkópnak, amellyel a kvantummechanika és a gravitáció közötti leheletfinom kapcsolatokat vizsgáljuk, másfelől teleszkópnak, amellyel a világegyetem legtávolibb sarkait kémleljük.

A kutatócsoport órák segítségével kutatja a titokzatos sötét anyagot, amely az elképzelések szerint a világegyetem teljes állományának többségét teszi ki. Az atomórák még a Föld alakjának modellezését és megértését is pontosíthatják, ha a relativisztikus földmérésnek nevezett tudományág céljaira vetjük be őket.