ساعت اتمی جدید هر ۳۰۰ میلیارد سال فقط یک ثانیه عقب می‌افتد
آلبرت اینشتین در نظریه نسبیت عام خود چیزی به نام اتساع زمان را پیش‌بینی کرده بود. اتساع زمان در قالب یک مثال کلاسیک و ساده عموما با مثال دو ساعت یکسان تحت دو کشش گرانشی متفاوت مطرح می‌شود. گفته می‌شود که دو ساعت تحت دو کشش گرانشی متفاوت همیشه با سرعت‌های متفاوتی کار خواهند زد یا به‌تعبیری سرعت تیک زدن‌هایشان متفاوت خواهد بود.
از آن زمان تا به امروز، اثر اتساع زمان در بسیاری از آزمایش‌ها مشاهده شده است؛ اما اکنون دانشمندان اتساع زمان را در کوچک‌ترین مقیاس ممکنی که تاکنون مشاهده شده است، ثبت کرده و به یک رکورد بی‌سابقه رسیده‌اند. درواقع ابزار جدید آن‌ها در اندازه‌گیری زمان چنان دقیق است که در هر ۳۰۰ میلیارد سال فقط یک ثانیه عقب می‌افتد.
نتیجه اخیر با استفاده از ساعت‌های اتمی فوق‌العاده دقیقی که با فاصله تنها یک میلی‌متر از هم (فاصله‌ای به‌اندازه‌ی پنهای نوک مداد تیز) قرار داده شده بودند، به دست آمد. جمع‌آوری ۹۰ ساعت دیتا از این دو ساعت، در ادامه تیم پژوهشی را به خوانش‌هایی رساند که ۵۰ برابر دقیق‌تر از هرگونه اندازه‌گیری مشابه قبلی بود.
البته باید یادآوری کنیم که هرچه‌قدر مقیاس آزمایش‌های ما کوچک‌تر و دقیق‌تر باشد، به‌همان اندازه بیشتر به مکانیک کوانتومی پیرامون توضیح رویدادهای جاری در آزمایش‌ها تکیه می‌کنیم. محققان امیدوار هستند که خوانش‌های جدیدشان بتواند راهی را برای یادگیری بیشتر بشر درباره‌ی چگونگی تأثیر انحنای فضازمان بر ویژگی‌های ذرات براساس فیزیک کوانتومی باز کند؛ ما در دنیای خودمان تأثیر انحنای فضازمان بر ذرات را در قالب گرانش تجربه می‌کنیم.
یون یه، فیزیکدان از دانشگاه کلرادو بولدر می‌گوید:
مهم‌ترین و هیجان‌انگیزترین نتیجه این است که به‌طور بالقوه می‌توانیم فیزیک کوانتومی را با گرانش مرتبط کنیم، برای مثال، فیزیک پیچیده حاکم بر زمانی را که ذرات در مکان‌های مختلف در منحنی فضازمان توزیع می‌شوند، بررسی کنیم.
در این آزمایش، محققان از پدیده‌ای به نام شبکه نوری استفاده کردند که شبکه‌ای از نور لیزر برای به دام انداختن اتم‌ها در محل مد نظر با هدف مشاهده آن‌ها است. این تکنیک برای آخرین نسل از ساعت‌های اتمی به کار می‌رود و دقت بیشتری را در زمان‌سنجی ازطریق امواج نور لیزر ارائه می‌دهد. این شبکه‌ها را می‌توان برای شبیه‌سازی‌های کوانتومی نیز به کار برد.
در آزمایش اخیر، دو خوانش برگرفته‌شده از ساعت اتمی، از یک ابر اتمی واحد با حالت انرژی یکسان و در شرایط بسیار کنترل‌شده به دست آمده است. در واقع، اتم‌ها بین دو سطح انرژی در هماهنگی کامل به مدت ۳۷ ثانیه نگه داشته شدند که خود رکوردی جدید از نظر انسجام کوانتومی (یعنی پایدار نگه داشتن حالت‌های کوانتومی) محسوب می‌شود. از طرفی وجود چنین ثبات و انسجامی همواره برای این نوع اندازه‌گیری‌های دقیق ضروری است.
مقاله‌ی مرتبط:
انسجام کوانتومی ایده‌الی که ایجاد شده بود، در ادامه دانشمندان را قادر ساخت تا خوانش‌هایی را در دو نقطه مجزا ثبت کرده و انتقال به سرخ یا سرخ‌گرایی را در سراسر ابری متشکل از حدود ۱۰۰ هزار اتم استرانسیم فوق‌سرد اندازه‌گیری کنند. انتقال به سرخ، تغییر فرکانس تابش اتم‌ها در طول طیف الکترومغناطیسی یا به بیانی دیگر، سرعت تیک‌تاک ساعت اتمی را نشان می‌دهد.
درحالی‌که تفاوت در سرخ‌گرایی در این فاصله کوچک فقط ۰/۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۰۱ یا بیشتر بود، ولی عدد فوق با پیش‌بینی‌های نسبیت عام مطابقت دارد. همین تفاوت‌های به‌ظاهر کوچک، زمانی که به مقیاس کل کیهان می‌رسیم، یا حتی زمانی که با سیستم‌های نیازمند به دقت فوق‌العاده‌ای مانند ناوبری GPS سروکار پیدا می‌کنیم، می‌توانند تفاوت‌های کلیدی ایجاد کنند. یه معتقد است:
این یک شرایط کاملاً جدید است، یک ساختار جدید که در آن مکانیک کوانتومی در انحنای فضازمان قابل کاوش است.
او در ادامه اشاره می‌کند:
اگر بتوانیم انتقال به سرخ را حتی تا مقدار ۱۰ برابر بهتر از مقدار فعلی اندازه‌گیری کنیم، آنگاه خواهیم توانست امواج کل ماده‌ی اتم‌ها را در انحنای فضازمان ببینیم. توانایی اندازه‌گیری اختلاف زمانی در چنین مقیاس دقیقی می‌تواند به ما در شماری از اکتشافات یاری کند. به‌عنوان مثال، فهمیدن این که گرانش [چرا و چگونه] انسجام کوانتومی را مختل می‌کند. همین احتمالاً پاسخی نهایی و بنیادی برای این معما خواهد بود که چرا دنیای ما در مقیاس بزرگ [بر مبنای اصول مکانیک] کلاسیک کار می‌کند [برخلاف مقیاس کوانتومی].
نکته هیجان‌انگیز در تحقیق اخیر درمورد اتساع زمان این است که دستاوردهای آن نشان می‌دهد که ساعت‌های اتمی در آینده دقیق‌تر هم خواهند شد. چنین روندی نقشه راه امیدوارکننده‌ای پیش روی دانشمندان قرار می‌دهد که طی آن، اندازه‌گیری‌ها به‌طور مستمر در مقیاس‌های کوچک‌تر و کوچک‌تر اصلاح شوند. ساعت‌های اتمی در چند دهه اخیر مسیری طولانی و مهیج را تا به اینجا آمده‌اند و مسلما در آینده چیزهای بیشتری هم درمورد آن‌ها خواهیم شنید.
پژوهش اخیر در ژورنال نیچر منتشر شده است.