Релятивистские эффекты вокруг нас

Группа физиков смогла получить подтверждение релятивистского замедления времени во вполне обыденных условиях. Используя сверхточные атомные часы, ученые-физики во главе с Джеймсом Чин-Вен Чжоу (James Chin-wen Chou) могли наблюдать разность хода времени в разных системах отсчёта – эффектов, описываемых теорией относительности Эйнштейна. Описание экспериментов опубликовано в журнале «Science» (24 September 2010: Vol. 329. no. 5999, pp. 1630 – 1633).

. «Современная технология позволила достичь такой точности измерений, что вы можете наблюдать эти эффекты где угодно – да хоть в вашей гостиной, — говорит Клиффорд Уилл, физик из Вашингтонского университета. – Эксперимент не выявил никаких новых явлений, но одно то, что он был проведен на обычном лабораторном столе – уже здорово!». Ранее релятивистские эффекты исследовались во время космических путешествий и полетов на самолетах.

Разность хода времени возникает в двух случаях. Во-первых, время замедляется вблизи массивных объектов (таких, как Земля). Поэтому человек, парящий на воздушном шаре, фактически стареет быстрее того, кто стоит на земле. Во-вторых, для того, кто находится в состоянии покоя, время идет быстрее по сравнению с тем, кто движется относительно него (с этим явлением связан «парадокс близнецов»).

Ранее эти необычные аспекты теории относительности можно было наблюдать только для быстро движущихся объектов (впрочем, эффект замедления времени вблизи Земли был однажды обнаружен в масштабах многоэтажного здания в Гарварде). Теперь достижения в области лазерной техники и квантовой информатики позволили продемонстрировать теории Эйнштейна в более обыденных условиях.

В экспериментах использовалась пара атомных часов, каждые из которых были размещены на столах в двух соседних лабораториях. Основа таких часов – ион алюминия, который колеблется между двумя энергетическими уровнями, перепрыгивая с одного на другой более миллиона миллиардов раз в секунду. Часы были соединены между собой 75-метровым оптическим кабелем, что позволило исследователям сопоставлять их показания.

В одном из экспериментов физики подняли стол на 33 см выше с помощью гидравлического домкрата, и смогли зафиксировать ускорение времени примерно на одну 90-миллиардную долю секунды в 79 лет. Во втором эксперименте к одним из часов было приложено электрическое поле, заставившее атом алюминия совершать колебательные движения. Как и ожидалось, движущиеся часы шли медленнее, чем неподвижные.

«Это просто поразительная точность! – говорит физик Дэниел Клеппнер (Daniel Kleppner) из Массачусетского технологического института. – Конечно, ученым эти релятивистские эффекты хорошо известны. Атомные часы, используемые в системе GPS, также испытали теорию относительности в действии – она вносила неточности в работу системы, пока не были сделаны необходимые поправки».

Эти эксперименты важны не столько с точки зрения физики теории относительности, сколько для разработчиков высокоточных приборов, отмечает Чжоу. Но они являются хорошим напоминанием о том, что релятивистские эффекты не перестают действовать в окружающем нас мире, хотя большинство людей не забивают этим голову. «А интересно, — говорит Чжоу, — те, кто часто летает самолетами, становятся моложе (потому что передвигаются так быстро) или стареют быстрее (потому что проводят много времени высоко над Землей)?..»