Cel mai precis ceas atomic din lume a confirmat faptul că dilatarea timpului prezisă de teoria relativității generale a lui Albert Einstein funcționează la o scară de ordinul milimetrilor.
Fizicienii nu au reușit să coreleze mecanica cuantică, o teorie care descrie materia la cele mai mici scări, cu relativitatea generală, care prezice comportamentul obiectelor la cele mai mari scări cosmice, inclusiv modul în care forța gravitațională deformează domeniul spațiu-timp. Din cauza faptului că forța gravitațională este slabă pe distanțe mici, relativitatea este greu de măsurat la scară redusă.
Totuși, ceasurile atomice, care numără secundele prin măsurarea frecvenței radiației emise atunci când electronii din jurul unui atom își schimbă stările de energie, pot detecta aceste efecte gravitaționale minuscule.
Tobias Bothwell și colegii acestuia din cadrul JILA din Boulder, Colorado, au separat sute de mii de atomi de stronțiu în bulbi „în formă de clătită” formați din 30 de atomi. Aceștia au folosit o radiație electromagnetică pentru a-i prinde într-o stivă verticală cu o înălțime de 1 milimetru. După aceea, cercetătorii au acționat cu un laser asupra stivei și au măsurat lumina împrăștiată cu o cameră de mare viteză.
Deoarece atomii erau aranjați vertical, gravitația Pământului a făcut ca frecvența oscilațiilor din fiecare grup să se schimbe cu un procent diferit, un efect denumit deplasare gravitațională spre roșu. În partea de sus a ceasului, o secundă a fost cu 10-19 secunde mai lungă decât în partea de jos. „Aceasta înseamnă că dacă ar fi să rulăm ceasul timp de aproximativ 14 miliarde de ani (vârsta universului), acesta ar avea o abatere de doar cu 0,1 secunde”, a declarat Jun Ye, unul dintre membrii echipei în cadrul JILA.
Această măsurătoare a deplasării spre roșu, calculată cu o certitudine de 21 de zecimale, a fost prezisă de teoria lui Einstein. Deși în cadrul măsurătorilor anterioare deplasarea spre roșu a fost observată la scale mai mari și prin compararea mai multor ceasuri, echipa din cadrul JILA a măsurat-o cu ajutorul unui singur ceas.
„Este pentru prima dată când, în loc să comparăm ceasuri aflate la o distanță de aproximativ 30 de centimetri, analizăm totul folosind un singur ceas”, a declarat Bothwell.
O parte din precizia ceasului se datorează grupurilor de atomi de stronțiu, care sunt apropiate între ele și au proprietăți de mediu, precum mediul lor termic, comune, astfel încât acestea pot fi comparate și fotografiate mai ușor cu camera de înaltă rezoluție din cadrul JILA.
Bothwell a declarat faptul că acest design de ceas atomic ar putea fi folosit în cele din urmă pentru a măsura undele gravitaționale în spațiu sau posibilele moduri prin care materia întunecată interacționează cu materia, precum și pentru utilizarea în domenii mai practice, precum îmbunătățirea preciziei Sistemului de poziționare globală (GPS), care utilizează sincronizarea precisă a ceasurilor atomice pentru a calcula distanța.
De asemenea, un alt grup de cercetare din cadrul Universității din Wisconsin-Madison a creat o nouă configurație a ceasului atomic. Shimon Kolkowitz și colegii săi au folosit comparații între șase ceasuri atomice diferite de stronțiu pentru a măsura o secundă. Acest model comparativ, cunoscut sub numele de ceas multiplex, înseamnă că echipa poate folosi un laser mai puțin stabil decât ceasul grupului din cadrul JILA, dar care poate atinge un nivel foarte ridicat de precizie: ceasul ar pierde doar 1 secundă la fiecare 300 de miliarde de ani. Ceasul echipei sale măsoară diferențele relative dintre ceasurile atomice, așa că acesta este foarte potrivit pentru a identifica efectele greu de măsurat, care se propagă prin spațiu, precum undele gravitaționale sau materia întunecată. În prezent, grupul încearcă să măsoare deplasările gravitaționale spre roșu folosind ceasul multiplex la scări similare cu ceasul echipei din cadrul JILA.