Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Atomové hodiny prověřily Einsteinovu teorii

Atomové hodiny (foto: NPL)

Fyzici provedli dosud nejdokonalejší test Einsteinovy speciální teorie relativity. Její platnost ověřili pomocí sítě atomových hodin, které se nacházejí ve Francii, Německu a ve Velké Británii.

Atomové hodiny byly za tím účelem propojeny optickými vlákny, které umožňují vzájemné porovnávání jejich údajů s mimořádně vysokým stupněm statistického rozlišení. Na ověření se podílela mezinárodní skupina fyziků a vědci plánují, že v blízké budoucnosti provedou další experimenty, které budou ještě o několik řádů přesnější.

Speciální teorii relativity publikoval Albert Einstein v roce 1905 jako náhradu své představy o prostoru a čase. Teorie zahrnuje Maxwellovy rovnice pro elektromagnetické pole a speciální je z toho důvodu, že popisuje pouze zvláštní případ principu relativity, kdy lze zanedbat vliv gravitace (Einsteinova pozdější obecná teorie relativity zahrnuje i gravitační působení).

Princip relativity nebyl v Einsteinově době ničím novým. Zavedl ho už Galileo Galilei, který vyslovil názor, že když se určitá vztažná soustava pohybuje vzhledem k jiné rovnoměrným přímočarým pohybem, pohyb je vzájemný (relativní), a tudíž žádná vztažná soustava, která by byla absolutní, neexistuje. Na základě všech těchto poznatků zkonstruoval Isaac Newton svoji klasickou mechaniku, nevyřešeným problémem však zůstávalo světlo. Maxwellovy rovnice ukazovaly, že elektromagnetické záření vysílané urychlovaným elektrickým nábojem se šíří vždy rychlostí světla. Z řady experimentů vyplynulo, že rychlost světla nezávisí na rychlosti pozorovatele, ani na rychlosti zdroje, a musí být neměnná pro všechny pozorovatele. Do tohoto bádání se zapojil i Hendrik Antoon Lorentz, který vymyslel rovnice – tzv. Lorentzovy transformace –, které k vysvětlení používaly látku nazvanou éter. Einstein se však brzy zasloužil o to, že se éter stal nepotřebný. Jeho speciální teorie relativity správně předpovídá chování zrychlovaných těles v přítomnosti konstantního nebo nulového gravitačního pole, pouze není schopna přesně popsat pohyb těles v gravitačních polích, při kterém se těleso dostává do míst s různým gravitačním potenciálem.

Shrnuto a podtrženo, nejstručnější a nejvýstižnější formulace speciální teorie relativity je ta, že rychlost světla je ve všech inerciálních vztažných soustavách stejná. Jenže toto tvrzení fyzici neustále testují a různými experimenty prověřují. Tím nejnovějším způsobem je právě použití sítě atomových (optických) hodin.

Testovací teorie speciální relativity poskytují matematický rámec pro analyzování výsledků experimentů. První krok udělal v roce 1949 Howard Robertson, když rozšířil Lorentzovu transformaci o další parametr. Lorentzova transformace ukazuje, že základní rovnice elektromagnetismu jsou stejné ve všech vztažných soustavách, které se vůči sobě pohybují neměnnou rychlostí při užití určitých transformačních vztahů. Robertson předpokládal existenci preferované vztažné soustavy, v níž je průměrná rychlost světla od zdroje k pozorovateli izotropní, ale anizotropní je v relativně se pohybujících soustavách. Podobný model vypracovali v roce 1977 Reza Mansouri a Roman Ulrich Sexl. Jelikož rychlost světla „tam a zpět“ (dvoucestná) v pohybujících se soustavách je anizotropní, a pouze tato rychlost je měřitelná bez synchronizačního schématu v experimentálních testech, oba modely jsou ekvivalentní a nazývají se Robertson-Mansouri-Sexlův (RMS) test. RMS pracuje s jinými experimentálními předpoklady než speciální relativita. Proto může sloužit jako nástroj pro případné odhalení porušení Lorentzovy transformace, a tím i speciální teorie relativity. A právě tento test používá nejnovější prověřování speciální teorie relativity pomocí sítě atomových hodin.

Protože se Země otáčí, mají různé body na jejím povrchu vzhledem k jejímu středu různé relativní rychlosti. Například body na různých zeměpisných délkách (polednících) se pohybují různými směry, zatímco body na různých zeměpisných šířkách (rovnoběžkách) se pohybují různými rychlostmi. Takže vyslání signálů mezi atomovými hodinami ve dvou různých bodech na Zemi by mohlo odhalit porušení speciální teorie relativity.

Měření se provádělo na síti atomových hodin spojených optickými vlákny. Ta zahrnuje hodiny v Laboratoire national de métrologie et d'essais (LNE-SYRTE) v Paříži, v Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) v Braunschweigu a v National Physical Laboratory (NPL), která se nachází nedaleko Londýna. Hodiny jsou propojeny dvěma různými linkami optických vláken, jedna vede z NPL do LNE-SYRTE, druhá z PTB do LNE-SYRTE.

Pravidlo pro porovnání frekvencí optických hodin ve dvou různých místech je možné popsat tak, že signál určité frekvence z jedněch hodin je poslán do druhých, kde je přijat a poslán zpět. V RMS soustavě bude posun frekvence vracejícího se signálu obsahovat člen, který bude zahrnovat rozdíl mezi rychlostmi míst, kde jsou optické hodiny umístěny. Protože se Země otočí kolem své osy jednou za den, rychlosti těchto dvou míst, a tudíž i RMS frekvenční posuv, budou oscilovat s periodou 24 hodin.

V jednom z testů porovnávali fyzici hodiny umístěné v LNE-SYRTE a NPL po dobu 60 hodin. Potom porovnávali hodiny v PTB a LNE-SYRTE po dobu 150 hodin. To jim pak umožnilo určit horní hranici RMS porušení speciální teorie relativity s přesností jedna ku sto milionům. Znamená to, že tato měření dilatace času určují hranici porušení koncepce speciální teorie relativity, která udává, jak se může lišit čas, který uběhne mezi dvěma událostmi, pokud je měřen pozorovateli ve dvou různých situacích.

Nové výsledky jsou dvakrát přesnější než předcházející, které používaly rychle se pohybující ionty. Podle vědců se vláknové propojení brzy stane rutinní operací a testy tohoto druhu bude možné v blízké budoucnosti zpřesnit ještě o několik dalších řádů.


Mohlo by vás zajímat:

„Plazmové koště“ bude uklízet na Marsu
Ozářený materiál má strukturu jako kapalina
Kamera s grafenem a kvantovými tečkami
Nové zařízení pro detekování miniaturních sil

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop