A po co to wszystko? By przekonać się, czy czas płynie wszędzie z taką samą prędkością. Wielki test tego twierdzenia odbył się w 1971 roku. Zamiast jednak budować skomplikowaną aparaturę, fizycy postawili na cztery wspomniane zegary atomowe. Podzielili je na dwa samoloty, z których jeden ruszył na zachód, a drugi – na wschód.
Za tym nietypowym eksperymentem stał fizyk Joseph Hafele i astronom Richard Keating. Kluczowa próba odbyła się w październiku 1971 roku, a urządzenia pomiarowe zaprzężone do pracy były zegarami cezowymi. Te, które poleciały na wschód, poruszały się zgodnie z kierunkiem obrotu Ziemi. Po zakończeniu podróży wskazania zegarów trzeba było porównać z niezwykle precyzyjnymi zegarami pozostającymi w U.S. Naval Observatory w Waszyngtonie.
Dlaczego zwykły lot samolotem miałby mieć wpływ na wskazania zegara? Odpowiedź kryje się w dwóch zjawiskach przewidzianych przez teorię względności. Pierwsze wynika ze szczególnej teorii względności. Zgodnie z nią zegar poruszający się względem obserwatora odmierza czas nieco wolniej. Samolot lecący na wschód dodatkowo poruszał się względem powierzchni Ziemi szybciej niż zegar pozostający na ziemi, ponieważ do prędkości samolotu dochodziła prędkość obrotowa planety. Lot na zachód dawał efekt przeciwny.
Drugie zjawisko wynika z ogólnej teorii względności i jest związane z grawitacją. Zegar znajdujący się wyżej, a więc w nieco słabszym polu grawitacyjnym, odmierza czas szybciej niż podobny zegar znajdujący się niżej. Samolot przez znaczną część podróży znajdował się na wysokości kilku kilometrów, dlatego również ten efekt musiał zostać uwzględniony w obliczeniach.
Różnice były niewyobrażalnie małe z codziennego punktu widzenia. Dla podróży na wschód teoria przewidywała, że zegary samolotowe będą spóźnione względem naziemnych o około 40 nanosekund. W przypadku podróży na zachód przewidywano natomiast zysk rzędu 275 nanosekund. Pomiary dały odpowiednio około 59 nanosekund straty oraz 273 nanosekundy zysku. Wyniki mieściły się w granicach niepewności eksperymentu.
Czytaj też: Takich samolotów na lotniskach jeszcze nie było. Airbus szykuje dziwną rewolucję dla gigantów
Warto podkreślić, że zmiana wskazań zegarów była ilościowym efektem, który można było przewidzieć na podstawie konkretnych równań, a następnie zmierzyć. Właśnie dlatego eksperyment Hafele’a i Keatinga stał się jednym z najbardziej znanych bezpośrednich testów relatywistycznego wpływu ruchu i grawitacji na upływ czasu. Co więcej, nie zakończyło się na jednym doświadczeniu.
Późniejsze eksperymenty z coraz dokładniejszymi zegarami potwierdzały relatywistyczne przewidywania z jeszcze większą precyzją. Współczesne zegary są na tyle czułe, że potrafią rejestrować różnice związane nawet z niewielką zmianą wysokości. Zjawisko nie jest więc wyłącznie ciekawostką z historii fizyki. Efekty relatywistyczne trzeba uwzględniać między innymi w systemach nawigacji satelitarnej, gdzie zegary znajdujące się na orbicie i na powierzchni Ziemi nie odmierzają czasu w identycznym tempie.
Źródło: BGR
