È stata misurata la deformazione del tempo su scala millimetrica
La famosa Teoria della Relatività di Albert Einstein è stata ora dimostrata in un laboratorio con due speciali orologi atomici su scala millimetrica. Scopri la nuova "rete ottica" utilizzata nell'esperimento e le sue applicazioni.
Uno dei risultati di Albert Einstein nella sua teoria della relatività generale è che il campo gravitazionale di un oggetto massiccio distorce lo spazio-tempo, facendo sì che il tempo si muova più lentamente man mano che ci si avvicina all'oggetto. Questo fenomeno è noto come "dilatazione del tempo gravitazionale" ed è misurabile, in particolare in prossimità di un oggetto molto massiccio come la Terra. La misurazione richiede un orologio sufficientemente accurato e oggi i cronometri più accurati sono gli orologi atomici, che segnano il tempo rilevando l'energia di transizione tra due stati elettronici in un atomo.
Questo effetto è stato ora studiato dai ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), negli Stati Uniti, utilizzando un orologio atomico straordinariamente preciso. La dilatazione del tempo è un concetto ben consolidato e gli ingegneri del NIST l'hanno già potuto testare prima di utilizzare gli orologi atomici.
Ma, in uno studio pubblicato di recente sulla rivista Nature, sono stati misurati per la prima volta i diversi effetti della gravità su due cronografi posti a meno di un millimetro di distanza l'uno dall'altro. In questa indagine, due minuscoli orologi atomici sono stati posti a meno di un millimetro l'uno dall'altro, e con essi è stato possibile misurare, sulla scala più piccola mai vista, la "dilatazione del tempo", per cui entrambi lavorano a velocità diverse, che è uno degli aspetti della Teoria della Relatività di Einstein.
Passi avanti nelle misure
In un lavoro precedente, gli scienziati del NIST hanno dimostrato la dilatazione del tempo utilizzando due orologi atomici posti uno sopra l'altro a 33 centimetri di distanza. Gli orologi atomici a diverse altezze in un campo gravitazionale funzionano a velocità diverse, cioè un orologio funziona più lentamente a quote inferiori, un effetto già dimostrato. Ma, come dicevamo, in quest'ultimo esperimento è stata ridotta questa distanza a un millimetro, e di conseguenza si è visto che anche con quella piccola distanza potevano rilevare variazioni percettibili della gravità.
Avere due orologi atomici separati vicini l'uno all'altro è fisicamente impossibile, quindi il dottor Jun Ye e il suo team hanno progettato un nuovo orologio atomico da utilizzare specificamente per questo esperimento. Tipicamente, questi dispositivi utilizzano la vibrazione di un certo tipo di atomo per leggere l'ora. La definizione stessa di un secondo si basa sulle vibrazioni di un atomo di cesio (Cs).
Nuovo orologio atomico a "fibra ottica"
Lo strumento noto come orologio atomico a fibra ottica, in grado di misurare differenze di tempo con una precisione equivalente a perdere un solo secondo ogni 300 miliardi di anni, è il primo esempio di orologio ottico "multiplato", in cui possono esserci sei diversi orologi in lo stesso ambiente.
I ricercatori questa volta hanno utilizzato una struttura nota come "reticolo ottico" che contiene circa 100.000 singoli atomi di stronzio (Sr) in una struttura definita. È importante sottolineare che hanno anche sviluppato un sistema di imaging in grado di monitorare vicino alla parte superiore e inferiore del reticolo ottico, che è lungo solo un millimetro, rendendo la distanza più piccola mai vista in questo tipo di esperimento. Di conseguenza, è stata osservata una differenza di tempo tra la parte superiore e quella inferiore della rete ottica di 10-19 secondi. Naturalmente quel tempo è impercettibile per gli esseri umani, ma gli scienziati lo hanno rilevato. Questo risultato è stato come previsto e nelle aspettative basate sulla relatività generale, ma c'è qualcos'altro dietro questo grande esperimento.
Utilità degli orologi atomici ultra precisi
La teoria di Einstein risalente al 1915 è stata dimostrata molte volte, ma questo non è stato l'unico risultato dell'esperimento. La tecnica utilizzata dai ricercatori è il momento clou, perché indica la potenziale costruzione di un orologio 50 volte più accurato di qualsiasi altro attualmente esistente. Ti starai chiedendo, e perché sono necessari orologi con tale precisione? La risposta è che per il macromondo in cui viviamo potrebbe essere "eccessivo o non necessario". Ma in realtà, nell'ordine della meccanica quantistica, orologi più accurati potrebbero esplorare queste piccole distanze in un modo che non è mai stato possibile prima, e questo nuovo orologio atomico basato su una "nuvola di atomi" potrebbe essere un modo per farlo.
Questo cercherebbe di rivelare uno dei grandi dilemmi della fisica, cioè come la relatività e la gravità interagiscono con la meccanica quantistica che governa le regole del mondo subatomico. Pertanto, bisogna sottolineare che il miglioramento degli orologi ha molte possibili applicazioni, oltre alla misurazione del tempo e alla navigazione.
"Possono servire come microscopi per vedere i minuscoli legami tra la meccanica quantistica e la gravità, così come i telescopi servono per scrutare nelle profondità più profonde dell'universo, e sono anche pronti a migliorare i modelli e la comprensione della forma della Terra applicando un scienza della misurazione chiamata geodesia relativistica", ha spiegato il dottor Jun Ye. Il suo disegno consente di testare modi per cercare le onde gravitazionali, provare a rilevare la materia oscura e scoprire nuova fisica con gli orologi.