Relatività generale Einstein. I fisici del JILA hanno misurato la teoria dello scienziato tedesco, o più precisamente l’effetto chiamato dilatazione del tempo, sulla scala più piccola mai vista. Hanno dimostrato che due piccoli orologi atomici, separati da appena un millimetro o, più precisamente, dalla larghezza della punta di una matita, ticchettano a velocità diverse.

Gli esperimenti, descritti nel numero del 17 febbraio di Nature, suggeriscono come realizzare orologi atomici 50 volte più precisi degli attuali modelli, offrono un percorso per rivelare, forse, come la relatività e la gravità interagiscono con la meccanica quantistica, ovvero: un grande dilemma della fisica.

JILA è gestito congiuntamente dal National Institute of Standards and Technology (NIST) e dall’Università del Colorado Boulder.

Relatività generale Einstein: orologi atomici 50 volte più precisi

“Il risultato più importante ed eccitante, è che possiamo potenzialmente collegare la fisica quantistica con la gravità, per esempio, sondando la fisica complessa quando le particelle sono distribuite in luoghi diversi nello spazio-tempo curvo. Per la misurazione del tempo, mostra anche che non c’è alcun ostacolo alla realizzazione di orologi con una precisione. 50 volte superiore a quella odierna, il che è una notizia fantastica”, ha dichiarato Jun Ye, collaboratore del NIST/JILA.

La teoria della relatività generale di Einstein del 1915. spiega i risultati, su larga scala, dell’effetto gravitazionale sul tempo e ha importanti applicazioni pratiche,. come la correzione delle misure dei satelliti GPS. Anche se la teoria ha più di un secolo,. i fisici rimangono affascinati da essa. Gli scienziati del NIST hanno usato gli orologi atomici come sensori per misurare la relatività. in modo sempre più preciso,. il che potrebbe aiutare a spiegare finalmente. come i suoi effetti interagiscono con la meccanica quantistica e il regolamento del mondo subatomico.

Secondo la relatività generale, gli orologi atomici a diverse altezze in un campo gravitazionale ticchettano a ritmi diversi. La frequenza della radiazione degli atomi è ridotta. – spostata verso il redshift dello spettro elettromagnetico. – quando viene osservata in una gravità più forte,. più vicina alla Terra. Cioè, un orologio ticchetta più lentamente a quote ridotte.

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Questo effetto è stato dimostrato ripetutamente; per esempio, i fisici del NIST lo hanno misurato nel 2010 confrontando due orologi atomici indipendenti,. uno dei quali posizionato a 33 centimetri (circa 1 piede) sopra l’altro.

I ricercatori del JILA hanno ora misurato gli spostamenti di frequenza tra la parte superiore e inferiore di un singolo campione di circa 100.000 atomi di stronzio ultrafreddi caricati in un reticolo ottico, una configurazione di laboratorio simile ai precedenti orologi atomici del gruppo. In questo nuovo caso il reticolo,. che può essere visualizzato come una pila di frittelle create da raggi laser, ha torte insolitamente grandi, piatte e sottili,. e sono formate da una luce meno intensa di quella normalmente utilizzata.

Questo design riduce le distorsioni nel reticolo ordinariamente causate dalla dispersione della luce e degli atomi; omogeneizza il campione ed estende le onde di materia degli atomi, le cui forme indicano la probabilità di trovare gli atomi in certe posizioni. Gli stati energetici degli atomi sono così ben controllati che tutti sono passati tra due livelli energetici all’esatto unisono per 37 secondi. Un record per quella che viene chiamata coerenza quantistica.

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Determinante per i nuovi risultati è stata l’innovazione di imaging del gruppo Ye,. che ha fornito una mappa microscopica delle distribuzioni di frequenza attraverso il campione,. e il loro metodo di confrontare due regioni di una nuvola di atomi piuttosto che l’approccio tradizionale di utilizzare due orologi separati.

Il redshift misurato attraverso la nuvola atomica era minuscolo, nel raggio di 0.0000000000000000001, coerente con le previsioni. (Anche se troppo piccolo per gli esseri umani da percepire direttamente, le differenze si sommano a grandi effetti sull’universo e sulla tecnologia come il GPS). Il team di ricerca ha risolto questa differenza rapidamente per questo tipo di esperimento, in circa 30 minuti di media dei dati. Dopo 90 ore di dati, la loro precisione di misurazione era 50 volte migliore di qualsiasi confronto precedente di orologi.

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“Questo è un gioco completamente nuovo, un nuovo regime in cui la meccanica quantistica nello spazio-tempo curvo può essere esplorata”; rileva Ye.

“Se potessimo misurare il redshift 10 volte meglio di così, saremmo in grado di vedere le onde di tutta la materia degli atomi, attraverso la curvatura dello spazio-tempo. Essere in grado di misurare la differenza di tempo su una scala così piccola potrebbe permetterci di scoprire, per esempio, che la gravità interrompe la coerenza quantistica, il che potrebbe significare che il nostro mondo su macroscala è classico“.

Gli orologi migliori hanno molte applicazioni possibili al di là del cronometraggio e della navigazione. Ye suggerisce che gli orologi atomici possono servire sia come microscopi. per vedere legami minuscoli tra la meccanica quantistica e la gravità,. sia come telescopi per osservare gli angoli più profondi dell’universo.
Il ricercatore sta usando gli orologi per cercare la misteriosa materia oscura, che si crede costituisca la maggior parte della materia dell’universo. Gli orologi atomici sono anche pronti a migliorare i modelli e la comprensione della forma della Terra.attraverso l’applicazione di una scienza di misurazione chiamata geodesia relativistica.

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