Thí nghiệm đồng hồ nguyên tử cho thấy thuyết tương đối rộng của Einstein là đúng | H-care.vn

Đồng hồ nguyên tử chính xác nhất thế giới đã xác nhận rằng sự giãn nở thời gian được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng của Albert Einstein hoạt động trên thang đo milimet.

Các nhà vật lý đã không thể kết hôn với cơ học lượng tử, một lý thuyết mô tả vật chất ở quy mô nhỏ nhất, với thuyết tương đối rộng, dự đoán hành vi của các vật thể ở quy mô vũ trụ lớn nhất, bao gồm cả cách lực hấp dẫn bẻ cong không gian và thời gian. Vì lực hấp dẫn yếu ở những khoảng cách nhỏ nên rất khó để đo thuyết tương đối ở quy mô nhỏ.

Nhưng đồng hồ nguyên tử, đếm giây bằng cách đo tần số bức xạ phát ra khi các electron xung quanh một nguyên tử thay đổi trạng thái năng lượng, có thể phát hiện ra những hiệu ứng hấp dẫn nhỏ bé này.

Tham gia với chúng tôi để có một lễ hội ý tưởng và kinh nghiệm tuyệt vời. Nhà khoa học sống mới sẽ kết hợp, với một sự kiện trực tiếp trực tiếp ở Manchester, Vương quốc Anh mà bạn cũng có thể tận hưởng sự thoải mái tại nhà của mình, từ ngày 12 đến ngày 14 tháng 3 năm 2022. Biêt nhiêu hơn.

Tobias Bothwell tại JILA ở Boulder, Colorado, và các đồng nghiệp của ông đã tách hàng trăm nghìn nguyên tử stronti thành các đốm màu “hình bánh kếp” gồm 30 nguyên tử. Họ sử dụng ánh sáng quang học để bẫy chúng thành một đống thẳng đứng cao 1 mm. Sau đó, họ hướng tia laser vào đống và đo ánh sáng tán xạ bằng camera tốc độ cao.

Do các nguyên tử được sắp xếp theo chiều dọc, nên lực hấp dẫn của Trái đất làm cho tần số dao động trong mỗi nhóm thay đổi một lượng khác nhau, một hiệu ứng gọi là dịch chuyển đỏ hấp dẫn. Trên đỉnh đồng hồ, một giây được đo bằng 10^-19 lâu hơn một giây so với lúc ở dưới cùng. Điều này có nghĩa là nếu bạn chạy đồng hồ theo tuổi của vũ trụ, khoảng 14 tỷ năm, thì nó sẽ chỉ sai lệch 0,1 giây, thành viên nhóm Jun Ye tại JILA cho biết.

Chính phép đo dịch chuyển đỏ này, được tính toán với độ chính xác 21 chữ số thập phân, mà lý thuyết của Einstein đã dự đoán. Các phép đo trước đây đã quan sát thấy sự dịch chuyển đỏ trên quy mô lớn hơn bằng cách so sánh các đồng hồ riêng biệt, nhưng nhóm JILA đã đo nó trên một đồng hồ duy nhất.

“Đây là lần đầu tiên thay vì so sánh những chiếc đồng hồ cách nhau khoảng 12 inch, giờ đây chúng tôi đang nhìn vào bên trong một chiếc đồng hồ,” Bothwell nói.

Một lý do giải thích cho độ chính xác của đồng hồ là các cụm nguyên tử stronti ở gần nhau và chia sẻ các đặc tính môi trường, chẳng hạn như môi trường nhiệt của chúng, vì vậy chúng có thể dễ dàng so sánh và hiển thị bằng máy ảnh độ phân giải cao của JILA.

“Đó là một kết quả rất ấn tượng mà họ đã thể hiện. Điều rất thú vị là khi xem xét các bộ phận khác nhau của thiết bị, nó có thể cho bạn một câu trả lời khác. [as to the length of a second]Patrick Gill tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia, Vương quốc Anh cho biết.

Bothwell cho biết thiết kế đồng hồ nguyên tử này cuối cùng có thể được sử dụng để đo sóng hấp dẫn trong không gian hoặc các cách có thể vật chất tối kết hợp với vật chất, cũng như sử dụng trong các lĩnh vực thực tế hơn, chẳng hạn như cải thiện độ chính xác của Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS). , sử dụng thời gian chính xác của đồng hồ nguyên tử để tính toán khoảng cách.

Một nhóm nghiên cứu khác tại Đại học Wisconsin-Madison cũng đã tạo ra một cấu hình đồng hồ nguyên tử mới.

Shimon Kolkowitz và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng phép so sánh giữa sáu đồng hồ nguyên tử stronti khác nhau để đo một giây. Mô hình so sánh này, được gọi là đồng hồ ghép kênh, có nghĩa là nhóm có thể sử dụng tia laser kém ổn định hơn so với đồng hồ của nhóm JILA, nhưng vẫn đạt được độ chính xác rất cao: đồng hồ chỉ sai 1 giây sau mỗi 300 tỷ năm.

Kolkowitz nói: “Đó là một minh chứng tốt rằng bạn có thể sử dụng tia laser với công suất thấp hơn nhiều, dễ di chuyển hơn và mạnh mẽ hơn, đồng thời vẫn thực hiện các loại so sánh đồng hồ này với mức độ chính xác khá đáng kinh ngạc.

Đồng hồ trên máy tính của anh ấy đo sự khác biệt tương đối giữa các đồng hồ nguyên tử, khiến nó rất phù hợp để xác định chính xác các hiệu ứng khó đo lường lan truyền trong không gian, chẳng hạn như sóng hấp dẫn hoặc vật chất tối. Nhóm hiện đang tìm cách đo dịch chuyển đỏ hấp dẫn bằng cách sử dụng đồng hồ ghép kênh trên các thang đo tương tự như đồng hồ của nhóm JILA.