الساعة الذرية الأكثر دقة تُظهر أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين صحيحة

نظرية النسبية العامة لأينشتاين

لم يتمكن الفيزيائيون من توحيد ميكانيكا الكم، وهي النظرية التي تصف المادة على أصغر المقاييس، مع النسبية العامة، التي تتنبأ بسلوك الأشياء على أكبر المقاييس الكونية، بما في ذلك كيف تنحني الجاذبية في الزمكان، ونظراً لضعف الجاذبية على مسافات صغيرة، فمن الصعب قياس النسبية على المقاييس الصغيرة.

الساعة الذرية الأكثر دقة تُظهر أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين صحيحة

لكن الساعات الذرية، التي تحسب الثواني عن طريق قياس تردد الإشعاع المنبعث عندما تغير الإلكترونات الموجودة حول الذرة حالات الطاقة، يمكن أن تكتشف تأثيرات الجاذبية الدقيقة هذه.

قام توبياس بوثويل من مركز جيلا في بولدر ، كولورادو وزملاؤه بفصل مئات الآلاف من ذرات السترونشيوم إلى كتل على شكل فطيرة مكونة من 30 ذرة، لقد استخدموا الضوء البصري لاحتجازهم في كومة عمودية بارتفاع 1 مليمتر، ثم قاموا بتسليط الليزر على المكدس وقياس الضوء المتناثر بكاميرا عالية السرعة.

ونظراً لأن الذرات مرتبة عمودياً، تسببت جاذبية الأرض في إزاحة تواتر التذبذبات في كل مجموعة بمقدار مختلف، وهو تأثير يسمى الانزياح الأحمر الثقالي، وفي الجزء العلوي من الساعة، تم قياس ثانية بمقدار 10-19 ثانية أطول مما كانت عليه في الجزء السفلي، وهذا يعني أنه إذا كنت ستدير الساعة لعمر الكون، أي حوالي 14 مليار سنة، فستتوقف بمقدار 0.1 ثانية فقط، كما يقول عضو الفريق جون يي.

إن قياس الانزياح نحو الأحمر هذا، المحسوب بالظبط من 21 منزلة عشرية، هو ما تنبأت به نظرية أينشتاين، حيث لاحظت القياسات السابقة الانزياح نحو الأحمر على نطاقات أكبر من خلال مقارنة ساعات منفصلة، لكن فريق مركز جيلا قاسه في ساعة واحدة.

هذه هي المرة الأولى التي ننظر فيها الآن داخل ساعة واحدة، بدلاً من مقارنة ساعات منفصلة على شيء مثل 30 سم.

سبب دقة الساعة الذرية

أحد أسباب دقة الساعة هو أن مجموعات ذرات السترونشيوم متقاربة وتتشارك الخصائص البيئية، مثل بيئتها الحرارية، لذلك يمكن مقارنتها وتصويرها بسهولة باستخدام كاميرا عالية الدقة.

وقال باتريك جيل من المختبر الفيزيائي الوطني بالمملكة المتحدة: "إنها نتيجة رائعة للغاية أظهروها، ومن المثير للاهتمام للغاية أنه، وبالنظر إلى أجزاء مختلفة من الجهاز، قد يمنحك إجابة مختلفة لطول الثانية".

ويقول بوثويل أنه يمكن استخدام تصميم الساعة الذرية هذا في النهاية لقياس موجات الجاذبية في الفضاء أو الطرق المحتملة التي تقترن بها المادة المظلمة بالمادة، بالإضافة إلى استخدامها في مجالات أكثر عملية، مثل تحسين دقة نظام تحديد المواقع العالمي، الذي يستخدم التوقيت الدقيق للساعات الذرية لحساب المسافة.

كما أنتجت مجموعة بحثية أخرى في جامعة ويسكونسن ماديسون أيضاً مجموعة جديدة للساعة الذرية.

استخدم شيمون كولكويتز وزملاؤه مقارنات بين ست ساعات ذرية مختلفة من السترونشيوم لقياس ثانية واحدة، وهذا النموذج المقارن، المعروف باسم ساعة تعدد الإرسال، يعني أن الفريق يمكنه استخدام ليزر أقل استقراراً من ساعة مجموعة جيلا، ولكنه لا يزال يحقق مستوى عالٍ جدًا من الدقة: حيث ستفقد الساعة ثانية واحدة فقط كل 300 مليار سنة.

ويقول كولكويتز: "إنه دليل رائع على أنه يمكنك استخدام الليزر بأداء أقل بكثير، وهو أكثر قابلية للنقل وأكثر قوة، ولا يزال بإمكانك إجراء هذه الأنواع من المقارنات بين الساعات، بمستويات مذهلة من الدقة".

تقيس ساعة فريقه الفروق النسبية بين الساعات الذرية، لذا فهي مناسبة تماماً لتحديد التأثيرات التي يصعب قياسها والتي تنتشر عبر الفضاء، مثل موجات الجاذبية أو المادة المظلمة، وتبحث المجموعة الآن في قياس الانزياح الأحمر للجاذبية باستخدام ساعة تعدد الإرسال بمقاييس مماثلة لساعة فريق جيلا.