Hvordan verdens mest præcise ur kunne transformere fundamental fysik

Einsteins generelle relativitetsteori hævder, at et massivt legeme som Jorden krummer rum-tid, hvilket får tiden til at sænke sig, når du nærmer dig objektet - så en person på toppen af ​​et bjerg ældes en lille smule hurtigere end nogen på havoverfladen.

Amerikanske videnskabsmænd har nu bekræftet teorien i den mindste skala nogensinde og demonstrerer, at ure tikker med forskellige hastigheder, når de er adskilt med brøkdele af en millimeter.

Jun Ye, fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Colorado Boulder, fortalte AFP, at deres nye ur var "langt" det mest præcise, der nogensinde er bygget - og kunne bane vejen for nye opdagelser inden for kvantemekanik, regelbog for den subatomære verden.

Ye og kolleger offentliggjorde deres resultater onsdag i det prestigefyldte tidsskrift Nature , der beskriver de tekniske fremskridt, der gjorde det muligt for dem at bygge en enhed 50 gange mere præcis end nutidens bedste atomure.

Det var først med opfindelsen af ​​atomure – som holder tiden ved at detektere overgangen mellem to energitilstande inde i et atom udsat for en bestemt frekvens – at videnskabsmænd kunne bevise Albert Einsteins teori fra 1915.

Tidlige eksperimenter omfattede Gravity Probe A fra 1976, som involverede et rumfartøj 6.000 miles (10.000 kilometer) over Jordens overflade og viste, at et indbygget ur var hurtigere end tilsvarende på Jorden med et sekund hvert 73. år.

Siden da er ure blevet mere og mere præcise og dermed bedre i stand til at opdage relativitetsteorien.

I 2010 observerede NIST-forskere, at tiden bevægede sig med forskellige hastigheder, når deres ur blev flyttet 33 centimeter (lige over en fod) højere.

Teori om alt

Ye's vigtigste gennembrud var at arbejde med net af lys, kendt som optiske gitter, for at fange atomer i ordnede arrangementer. Dette er for at forhindre atomerne i at falde på grund af tyngdekraften eller på anden måde bevæge sig, hvilket resulterer i et tab af nøjagtighed.

Inde i Yes nye ur er der 100.000 strontiumatomer, lagt oven på hinanden som en stak pandekager, i alt omkring en millimeter høje.

Uret er så præcist, at når forskerne delte stakken i to, kunne de opdage forskelle i tid i den øverste og nederste halvdel.

På dette niveau af nøjagtighed fungerer ure i det væsentlige som sensorer.

"Rum og tid er forbundet," sagde Ye. "Og med tidsmåling så præcis, kan du faktisk se, hvordan rummet ændrer sig i realtid - Jorden er en livlig, levende krop."

Sådanne ure spredt ud over et vulkansk-aktivt område kunne fortælle geologer forskellen mellem fast sten og lava og hjælpe med at forudsige udbrud.

Eller for eksempel undersøg, hvordan global opvarmning får gletschere til at smelte og have til at stige.

Det, der dog ophidser Ye mest, er, hvordan fremtidige ure kunne indlede en helt ny fysiks verden.

Det nuværende ur kan registrere tidsforskelle på tværs af 200 mikron – men hvis det blev bragt ned til 20 mikron, kunne det begynde at undersøge kvanteverdenen og hjælpe med at bygge bro over forskelle i teorien.

Mens relativitet på en smuk måde forklarer, hvordan store objekter som planeter og galakser opfører sig, er den berømt uforenelig med kvantemekanik, som beskæftiger sig med de helt små.

Ifølge kvanteteorien er hver partikel også en bølge - og kan indtage flere steder på samme tid, noget kendt som superposition. Men det er ikke klart, hvordan et objekt to steder på én gang ville forvrænge rum-tid, ifølge Einsteins teori.

Skæringspunktet mellem de to felter ville derfor bringe fysikken et skridt nærmere en forenende "teori om alt", der forklarer alle fysiske fænomener i kosmos.