Тэставанне сіметрыі і прасторы-часу з атамнымі гадзінамі

Фізікі ў чарговы раз выпрабавалі і пацвердзілі прагнозы, зробленыя тэорыяй асаблівай адноснасці Эйнштэйна - распрацаванай больш за 100 гадоў таму.

Першы прынцып спецыяльнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна - гіпотэза, што хуткасць святла мае аднолькавае значэнне для ўсіх назіральнікаў, незалежна ад таго, з якой хуткасцю яны рухаюцца. Праз сто гадоў пасля яго стварэння, пасля мноства эксперыментальных выпрабаванняў, часам пазбягае нас, наколькі гэта ідэя контр-інтуітыўная.

Аднак, магчыма, магчыма, што - у адпаведнасці з тэарэтычнымі мадэлямі квантавага гравітацыі - гэтая аднастайнасць прасторы і часу распаўсюджваецца не на ўсе часціцы. Фізікі з Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) і Універсітэта штата Дэлавэр пратэставалі гэтую гіпотэзу, правёўшы першае шматгадовае параўнанне двух аптычных ітэрбіевых гадзін - якія трапляюць на тысячу атамаў ітэрбію ў сеткі, зробленыя з лазерных прамянёў - на Physikalisch- Technische Bundesanstalt (PTB).

З гэтымі гадзінамі - маецца патэнцыяльная памылка, якая складае ўсяго адну секунду за дзесяць мільярдаў гадоў - варта вымераць нават вельмі малыя адхіленні руху электронаў у ітэрбіі. Даследчыкі не выявілі якіх-небудзь змяненняў, калі гадзіны былі па-рознаму арыентаваны ў прасторы.

Вынікі апублікаваны ў бягучым нумары Nature.

Наладжваецца лазер выклікае надзвычай вузкапалосны рэзананс у іёне Yb + атамнага гадзінніка. Жоўтай адзначана функцыя электроннай хвалі ўзбуджанага стану іёна. Два іёны з хвалевымі функцыямі, арыентаванымі пад прамым вуглом, дапытваюцца пры дапамозе лазернага святла з рэгуляваным зрухам частоты для вымярэння магчымай розніцы частот. Уся эксперыментальная ўстаноўка круціцца разам з Зямлёй раз у дзень адносна нерухомых зорак (Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB))

Гэты вынік паляпшае мяжу току для праверкі сіметрыі прасторы і часу пры дапамозе эксперыментаў з каэфіцыентам 100. У дадатак да гэтага, ён пацвярджае надзвычай малую сістэматычную нявызначанасць вымярэнняў аптычных ітэрбіевых гадзін, якая не перавышае 4 × 10E-18. .

Ідэя сталасці святла была выяўлена Мікельсанам і Морлі ў іх аднайменным эксперыменце 1887 года. Пры дапамозе верціцца інтэрферометра яны параўноўвалі хуткасць святла ўздоўж дзвюх аптычных восяў, якія праходзяць вертыкальна адзін да аднаго.

Схема зманліва простага эксперыменту Майкласа і Морлі, які выявіў сапраўды ашаламляльны аспект прыроды (Encyclopaedia Britannica)

Вынік гэтага эксперыменту, які фактычна выключыў існаванне святлівага эфіру - асяроддзя, праз якое, як мяркуюць, распаўсюджвалася святло, - сведчыў аб адным з асноўных сцвярджэнняў спецыяльнай тэорыі адноснасці Эйнштэйна - што хуткасць святла ва ўсіх напрамках аднолькавая. космасу.

Гэта выклікае навукоўцаў пытанне, ці адносіцца гэтая сіметрыя космасу і да руху матэрыяльных часціц, ці ёсць напрамкі, па якіх гэтыя часціцы рухаюцца хутчэй ці павольней, хоць энергія застаецца ранейшай? Напрыклад, для часціц з высокімі энергіямі, напрыклад, тэарэтычныя мадэлі квантавага гравітацыі прадказваюць парушэнне сіметрыі ў прасторы Лорэнца - імя Гендрыка Антуана Ларэнца.

Эксперымент для вырашэння гэтага пытання быў праведзены з выкарыстаннем двух атамных гадзіннікаў - частоты якіх рэгулююцца рэзананснай частатой аднаго іона Yb +, які захоўваецца ў пастцы.

У той час як электроны іёнаў Yb + маюць шаравата-сіметрычнае размеркаванне ў асноўным стане, у ўзбуджаным стане яны праяўляюць выразна выцягнутую хвалевую функцыю і таму рухаюцца ў асноўным па адным прасторавым кірунку.

Арыентацыя хвалевай функцыі вызначаецца магнітным полем, якое ўжываецца ўнутры гадзінніка. Арыентацыя поля была абрана прыблізна пад прамым вуглом у двух гадзінах. Гадзіннік трывала ўсталяваны ў лабараторыі і круціцца разам з Зямлёй адзін раз у дзень (дакладней: адзін раз у 23.9345 гадзін) адносна нерухомых зорак.

Калі хуткасць электронаў залежала ад арыентацыі ў прасторы, гэта павінна прывесці да розніцы ў частаце паміж двума атамнымі гадзінамі, якія ўзнікаюць перыядычна, разам з кручэннем Зямлі.

Прыклад гадзіны з ітэрбіем у Нацыянальным інстытуце стандартаў і тэхналогій (NIST)

Для таго, каб выявіць такі эфект, частаты гадзіннікаў Yb + параўноўваліся больш за 1000 гадзін. У ходзе эксперыменту не было адзначана змены паміж двума гадзінамі для даступнага перыяду працягласці перыяду ад некалькіх хвілін да 80 гадзін.

У сярэднім за агульны час вымярэння, абодва гадзіны выяўлялі адноснае адхіленне частоты менш 3 × 10E-18. Гэта пацвярджае сукупную нявызначанасць гадзінніка, якая раней ацэньвалася ў 4 × 10E-18. Гэта важны крок у характарыстыцы аптычных атамных гадзін на гэтым узроўні дакладнасці. Толькі праз прыблізна дзесяць мільярдаў гадоў гэтыя гадзіны патэнцыйна могуць адхіляцца адзін ад аднаго на секунду.

Гэта яшчэ раз даказвае дзіўныя прагнозы тэорый Эйнштэйна нават пасля 100 гадоў выпрабаванняў.

Арыгінальныя даследаванні: Крысціян Саннер, Нілс Хантэман, Рычард Ланге, Крысціян Тамм, Эккехард Пейк, Марыяна С. Сафронава, Сяргей Рыгоравіч Порсеў: Параметры аптычных гадзін для выпрабавання сіметрыі Ларэнца. Прырода (2019)