Einstein by měl radost. Atomové hodiny měří různě rychlé toky času v místech milimetr od sebe

Je třeba si uvědomit, že v silném gravitačním poli podle Einsteinovy obecné teorie relativity (která vznikla v roce 1915) čas plyne pomaleji než na místech, kde je gravitační potenciál slabší. A v případě blízkého okolí černých děr může být tento jev (tzv. gravitační dilatace času) hodně extrémní.

Překvapivě se tento jev různé rychlosti toku času projevuje částečně i v mnohem slabších gravitačních polích, resp. při mnohem menších rozdílech mezi gravitačními potenciály na dvou různých místech prostoru.

Kupříkladu na družici, nacházející se na oběžné dráze kolem Země, běží čas o malé zlomky sekund rychleji než na povrchu Země, kde je její gravitační pole silnější.

S tímto efektem obecné teorie relativity musí proto počítat při svých korekcích i družicový systém GPS, který běžně používáme při přesných výpočtech naší geografické polohy či kvůli navigaci. Obecně tedy čím níže v zemském gravitačním poli se nacházejí nějaké hodiny, tím pomaleji běží oproti stejným hodinám, které se nacházejí výše.

Z toho mj. plyne, že stáří středu Země je o trochu menší než stáří jejího povrchu – od vzniku Země před 4,54 miliardami let dělá tento časový rozdíl asi dva a půl roku.

Také lidem žijícím např. v 7. patře ubíhá čas trochu relativně rychleji oproti lidem žijícím v 1. patře. Samozřejmě jsou tyto rozdíly velmi nepatrné a navíc relativní – neznamená to, že lidé žijící ve vyšších patrech mají kratší život, pokud ho měříme jejich vlastními „hodinami“.

Avšak díky ultrapřesným atomovým hodinám dnes už můžeme porovnávat i velmi nepatrné relativní časové rozdíly, které v běžném životě sice vůbec nezaznamenáme, ale které mají velký význam v astronomii, základní fyzice a obecně technologiích.

Také frekvence záření atomů se relativně snižuje – posouvá směrem k červenému konci elektromagnetického spektra –, když se nacházejí blíže ke středu Země. Tento jev (tzv. gravitační rudý posuv) byl prokázán v poslední době nejen v kosmických či planetárních měřítkách.

Např. fyzici z amerického Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) jej změřili v roce 2010 porovnáním dvou vysoce přesných atomových hodin, z nichž jedny byly umístěny 33 cm (jednu stopu) nad druhými. Během 80 let by se takové hodiny rozešly přibližně o 90 miliardtin sekundy.

Fyzici z amerického institutu JILA (jde o společné laboratorní pracoviště Coloradské univerzity a NIST) však nedávno prověřili tento jev gravitační dilatace času v zatím nejmenším prostorovém měřítku vůbec. Ukázalo se, že i dvoje stejné nové speciální atomové hodiny, které jsou od sebe vzdáleny pouhý milimetr ve vertikálním směru, tikají měřitelně různým „rytmem“.

Tento experiment byl zveřejněn na webu odborného časopisu Nature v polovině letošního února. Badatelé ve svém článku navíc navrhli způsob, jak vyrobit atomové hodiny ještě 50krát přesnější. Pomocí nich už budeme moci studovat tak jemné rozdíly gravitačního potenciálu v sousedních místech prostoru, že tímto způsobem bude možné mapovat i jemné rozložení (nejen) temné hmoty v prostoru. Temnou hmotu přitom nelze detekovat jinak než pomocí gravitačních účinků.

Tento pokrok rovněž nabízí cestu k mapování gravitačních jevů na úrovni mikrosvěta, což znamená možnost studovat souvislosti mezi teorií gravitace a kvantovou teorií, což je dodnes stále jeden z hlavních nevyřešených problémů fyziky.

Jak tyto hodiny v praxi vypadají? Výzkumníci z laboratoře JILA změřili frekvenční rozdíly mezi horní a spodní částí jednoho vzorku, který obsahoval asi 100 tisíc ultrachladných atomů stroncia, vložených do uzlů přesné optické mřížky.

Tato mřížka vypadá asi jako stoh velmi plochých palačinek vytvořených laserovými paprsky. Energetické stavy těchto atomů byly tak dobře řízeny, že všechny „tikaly“ pomocí frekvencí fotonů přeskakujících mezi dvěma stejnými energetickými hladinami, navíc v přesné kvantové synchronizaci po dobu 37 sekund, což je nový rekord.

Experti navíc svá měření mnohokrát opakovali a získali tak zhruba 90 hodin dat.

Ukázalo se, že v rámci tohoto vzorku vyrobeného z mnoha atomových hodin se nepatrně lišily jejich frekvence – výškový rozdíl jeden milimetr vedl k relativnímu rozdílu rychlostí hodin o velikosti 0,0000000000000000001, což je v souladu s předpovědí obecné teorie relativity aplikované na hodiny tikající v zemském gravitačním poli.

„Pokud bychom dokázali změřit tento rudý posuv ještě o jeden řád přesněji, budeme schopni měřit i detailní zakřivení časoprostoru, vyvolané atomární strukturou. Také bychom mohli zaznamenat, jak vliv gravitace ovlivňuje či ‚kazí' kvantové jevy, což by mohlo pomoci objasnit, proč náš běžný svět vypadá jako nekvantový,“ poznamenal k tomu podle vědeckého serveru Phys.org zástupce týmu, fyzik Jun Ye.

Přesnější atomové hodiny tedy mohou sloužit jako svého druhu „mikroskopy“ hmotné struktury světa a vesmíru. Atomové hodiny nám také podle vědců pomohou značně zpřesnit modely tvaru, stavby nebo dynamiky Země.