Naukowcy z University of Colorado Boulder, amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz Narodowej Administracji Oceanicznej i Atmosferycznej (NOAA) rozpoczęli niezwykły projekt na szczycie Mount Blue Sky w Kolorado. Jego celem jest potwierdzenie przewidywań ogólnej teorii względności, które mówi, że czas płynie szybciej tam, gdzie grawitacja jest słabsza – na przykład na wysokości ponad 4300 metrów n.p.m. Pomysł brzmi abstrakcyjnie, ale jego potwierdzenie miałoby fundamentalne znaczenie dla naszego rozumienia Wszechświata.
Precyzja pomiaru przekraczająca ludzką wyobraźnię
Sercem całego przedsięwzięcia są tak zwane optyczne zegary atomowe. Urządzenia te uchodzą za najdokładniejsze przyrządy pomiarowe, jakie kiedykolwiek stworzono. W eksperymencie o nazwie Relativistic Redshift Peak to Plains (R2P2) przez trzy letnie sezony będzie porównywane „tykanie” zegara na szczycie z pracą jego identycznego bliźniaka w laboratorium w Boulder, położonym o 2591 metrów niżej. Przewidywana różnica to zaledwie 25 miliardowych części sekundy na dobę. Dla nas to nic, ale dla fizyków – kluczowy sygnał.
Czytaj także: Kontrolują pojedyncze fotony na niespotykaną wcześniej skalę. Naukowcy projektują emitery kwantowe na żądanie
Jak działa taki zegar? Jego podstawę stanowi około 300 atomów iterbu, uwięzionych w przestrzeni wielkości grejpfruta. Oscylują one z niewyobrażalną częstotliwością, a naukowcy są w stanie te drgania precyzyjnie zliczać. Najdokładniejsze zegary tego typu osiągają stabilność pozwalającą na spóźnienie się o jedną sekundę dopiero po prawie 40 miliardach lat. To ponad trzykrotność wieku naszego Wszechświata. Technologia opracowywana od dwóch dekad w instytucie JILA jest około stu razy dokładniejsza od standardowych zegarów atomowych, które definiują np. czas UTC.
Grawitacja jako hamulec dla czasu
Ogólna teoria względności Alberta Einsteina głosi, że grawitacja wpływa nie tylko na przestrzeń, ale i na upływ czasu. Im silniejsze pole grawitacyjne, tym czas płynie wolniej. Na szczycie góry, gdzie przyciąganie Ziemi jest minimalnie słabsze niż w dolinie, zegar powinien więc „śpieszyć się”. To zjawisko ma realne, choć mikroskopijne, konsekwencje dla naszej planety. Modele wskazują, że z powodu ogromnego ciśnienia jądro Ziemi jest młodsze od jej skorupy o około 2,5 roku. Podobna logika tłumaczy słynny paradoks bliźniąt z podróżą kosmiczną.
Eksperyment na Mount Blue Sky to jednak coś więcej niż akademickie rozważania. Przeniesienie niezwykle delikatnej technologii kwantowej ze stabilnego laboratorium na szczyt, gdzie panują ekstremalne i zmienne warunki, samo w sobie jest ogromnym wyzwaniem inżynieryjnym. Andrew Ludlow i jego zespół musieli zabezpieczyć swój iterbowy zegar przed nagłymi zmianami temperatury, ciśnienia i wilgotności.
Łączenie zegarów na dużych odległościach
Kolejną przeszkodą było połączenie obu zegarów oddalonych od siebie o ponad 70 kilometrów w linii prostej. Naukowcy wykorzystali do tego serię laserów z tzw. grzebieniem częstotliwości. Sygnał czasowy jest przesyłany wiązką laserową na odległość ponad 80 kilometrów między Mount Blue Sky a miastem Thornton, a stamtąd – światłowodami – na kolejne 32 kilometry do Boulder. Technika ta nie jest całkiem nowa; w 2023 roku zespół Laury Sinclair udowodnił, że przesłanie sygnału zegara atomowego na odległość blisko 160 kilometrów między wyspami hawajskimi jest możliwe.
Pierwszy rok eksperymentu upłynął głównie pod znakiem testów wytrzymałościowych i kalibracji. Naukowcom udało się połączyć oba zegary i rozpocząć wstępne pomiary. To dobry znak, ale prawdziwa wartość danych ukaże się dopiero po zebraniu informacji z kolejnych dwóch sezonów badawczych. Dopiero wtedy będzie można mówić o jednoznacznych wynikach.
Co dalej z superprecyzyjnymi zegarami
Potencjalne zastosowania optycznych zegarów atomowych wykraczają daleko poza testowanie fundamentalnych teorii. Mogłyby one zrewolucjonizować systemy nawigacji satelitarnej (GPS), zapewniając niewyobrażalną dziś dokładność. W geodezji pozwoliłyby na wykrywanie minimalnych zmian w polu grawitacyjnym Ziemi, co mogłoby pomóc w przewidywaniu trzęsień ziemi czy erupcji wulkanów. W podstawowych badaniach dałyby narzędzie do poszukiwania ciemnej materii czy weryfikacji, czy stałe fizyczne są rzeczywiście niezmienne w czasie.
Czytaj także: Szalona teoria Einsteina okaże się prawdą? Nowe badania pokazują coś niebywałego
Patrząc na to z pewnym dystansem, warto zauważyć, że każdy taki eksperyment to nie tylko krok w stronę potwierdzenia teorii. To także monumentalne przedsięwzięcie logistyczne i technologiczne, które często przynosi nieoczekiwane odkrycia po drodze. Sukces lub porażka w zmierzeniu tych 25 nanosekund będzie miała znaczenie, lecz równie ważny jest postęp w miniaryzacji i utwardzaniu delikatnej aparatury kwantowej. Dzięki takim projektom technologia, która dziś mieści się w ciężarówce i wymaga górskiego szczytu, za kilkadziesiąt lat może trafić do naszych smartfonów. A to już brzmi jak science fiction, które powoli staje się faktem.
