ידענים: איינשטיין | זמן | פיסיקה קוונטית | פיסיקה קלאסית

מאת 26 בספטמבר 2010 27 תגובות

מדענים מ-NIST – National Institute of Standards and Technology שבארה"ב מודדים שתי תופעות מתורת היחסות של איינשטיין.

מדעני NIST השוו זוג שעונים אטומיים מן המשובחים שבנמצא כדי להוכיח שאכן, כפי שחוזה תורת היחסות, העמידה מספר מדרגות גבוה יותר בגרם המדרגות מאיצה את הזדקנותך. האיור באדיבות NIST

מדעני NIST השוו זוג שעונים אטומיים מן המשובחים שבנמצא כדי להוכיח שאכן, כפי שחוזה תורת היחסות, העמידה מספר מדרגות גבוה יותר בגרם המדרגות מאיצה את הזדקנותך. האיור באדיבות NIST

לפני כמעט חצי מאה בוצעו כבר ניסויים בעזרת שעוני צזיום להדגמת פרדוקס התאומים של איינשטיין. אולם מדעני NIST שלפו שעונים מדויקים יותר. בעזרתם הם הדגימו שאנחנו מזדקנים קמעא אם נעמוד בראש הפסגה הגבוהה.

המחקר פורסם היום בגיליון של Science:
C.W. Chou, D.B. Hume, T. Rosenband and D.J. Wineland. Optical Clocks and Relativity. Science. Sept. 24, 2010.

חוקרי ה-NIST ביצעו מחדש את ניסוי התארכות הזמן ביחסות על ידי זה שהם השוו בין פעילותם של זוג שעונים אטומיים. מדובר בשעונים האטומיים הניסויים הטובים בעולם. השעונים הם כמעט וזהים זה לזה ומבוססים על "תקתוק" של יון אלומיניום בודד אחד (אטום טעון חשמלית) בעודו רוטט בין שתי רמות אנרגיה מיליון מיליארד פעמים לשנייה. יון האלומיניום לכוד בין שדות חשמליים ורוטט בתדירויות אור ואולטרא סגול, שהן פי 100,000 יותר גבוהות מתדירויות המיקרוגל שמשמשות שעונים אטומיים אחרים, שעוני צזיום. שני שעוני האלומניום כה מדויקים: השעון הראשון מפגר בשנייה אחת אך ורק אחרי 3.7 מיליארד שנים והשני קרוב אליו בביצועים. שני השעונים ממוקמים בשתי מעבדות נפרדות ב-NIST והם מחוברים ביניהם על ידי סיב אופטי באורך 75 מטרים.

השעונים קרויים "שעונים קוונטיים לוגיים" בגלל שהם מבוססים על טכניקת ביצוע החלטות מתחום החישוביות הקוונטית הניסיונית. הם מדויקים ויציבים מספיק כדי לחשוף הבדלים זעירים ביותר, שלא ניתן היה לראותם עד עכשיו. השעונים פועלים על ידי זה שמאירים את היונים באור לייזר בתדירויות אופטיות, שהן כאמור גבוהות יותר מתדירויות המיקרוגל שבהן משתמשים בשעונים אטומיים סטנדרטיים המבוססים על אטום הצזיום. לא ירחק היום ושעונים אופטיים יוכלו להוביל לסטנדרטים של מדידת זמן שהם פי מאה מדויקים יותר מאשר השעונים הסטנדרטיים של היום.
שעוני האלומיניום יכולים לזהות אפקטים קטנים שאותם מנבאת תורת היחסות בגלל דיוקם המזהיר ובגלל "ה-Q פקטור" הגבוה שלהם (אין איבוד אנרגיה): כמות שמצביעה על האמינות של היון שבולע ושומר על האנרגיה האופטית בעת השינוי מרמת אנרגיה אחת לשנייה.

ניסויי ה-NIST התמקדו בשני מקרים שאותם מנבאת תורת היחסות:

1) כבידה: כאשר שני שעונים נתונים לשני כוחות כבידתיים בלתי שווים עקב גבהים שונים מעל פני כדור הארץ, השעון הגבוה יותר מעל פני כדור הארץ (שהוא זה שחש בכוח כבידתי חלש יותר) נע מהר יותר. ואילו השעון התחתון נע לאט יותר.

2) תנועה קצובה ותנועה מואצת: פרדוקס התאומים המפורסם. פרדוקס התאומים: שני תאומים, שהם בתחילה במנוחה על כדור הארץ מסנכרנים את שעוניהם. התאום הראשון נשאר במנוחה על כדור הארץ במשך כל הניסוי, ואילו התאום השני נכנס לתוך חללית ונוסע עמה לטיול ארוך בחלל: בתחילה הוא מאיץ למהירות קרובה מאוד למהירות האור בזמן זניח (הוא מפעיל את מנועי חלליתו). אחר כך הוא ממשיך לנסוע למשך זמן רב במהירות קבועה. עם הגיעו ליעדו, נניח כוכב רחוק מספיק מכדור הארץ, והמצוי בנקודה כלשהי, הוא מהר מאוד מאט בזמן זניח ומסתובב (הוא שוב מפעיל את מנועיו), עד אשר מהירותו היא שוב אחידה בכיוון ההפוך לכיוון כדור הארץ. הוא אז נוסע לכדור הארץ במשך זמן רב במהירות קבועה. בנקודת המפגש עם התאום הראשון הוא מיד מאט למנוחה (הוא שוב מפעיל את מנועיו). נניח שהשעון של התאום הראשון מודד 20 שנה כאשר התאום השני שב לכדור הארץ ומבחינתו של התאום הראשון המסע לכל כיוון אורך לכן 10 שנים. במסע הלוך ושוב השעון של התאום השני יראה רק 16 שנים. הפרדוקס התחיל עם היחסות הפרטית ועבר ליחסות הכללית. הגורם המכריע כאן הוא התאוצה – התאום הנוסע מאיץ ומאט בעודו מבצע את המסע הלוך ושוב.

מדעני NIST צפו באפקטים האלה על ידי זה שבצעו שינויים מסוימים באחד משני השעונים הקוונטיים הלוגיים שלהם, שעוני האלומיניום: הם גרמו לשינוי באחד היונים ואחר כך הם מדדו כתוצאה את ההפרש בתדירות היחסית בין שני היונים, כלומר את ההבדל בקצב התקתוק בין שני היונים.

בקבוצת ניסויים אחת, המדענים העלו את אחד השעונים על ידי זה שהרימו את שולחן הלייזר לגובה של שליש המטר (בערך רגל אחד) מעל לגובה שבו היה מונח השעון השני. השעון הגבוה יותר "תקתק" בקצב מעט מהיר יותר מאשר השעון הנמוך יותר, בדיוק כמצופה. ולכן אם נמצאים גבוה יותר מזדקנים מהר יותר. החוקרים אמרו שההבדל הוא כה זעום מכדי שבני אדם ירגישו בו: מדובר בסך הכל ב-90 מיליארדי השנייה לכל 79 שנים של חיים. באמת לא משמעותי ואפשר להישאר לגור למעלה בהרים או לחילופין בראש המגדל.

בקבוצת הניסויים השנייה, החוקרים בחנו את האפקטים של שינוי התנועה הפיסיקאלית של היון בשעון אחד. במצב הרגיל, במהלך הפעולה התקני של השעון, היון בשעון הוא כמעט לגמרי ללא תנועה. מדעני ה-NIST עוררו את היון באחד השעונים וגרמו לו לתנועה גירוסקופית כך שהוא נע הלוך ושוב במהירויות שהן שקולות לכמה מטרים לשנייה. השעון תקתק בקצב שהוא מעט איטי יותר מאשר השעון השני, וזאת כפי שמנבאת תורת היחסות.- היון הנע פועל בדיוק כמו התאום הנע בפרדוקס התאומים.

ולמה ניסויים כאלה הם חשובים? הם חשובים לגיאודזיה, מדע המדידות של כדור הארץ והשדה הכבידתי שלו, עם יישומים לגיאופיסיקה והידרולוגיה, ואולי אף יישומים לבדיקות של תיאוריות פיסיקה יסודיות.

רצוי לציין שלא מדובר כאן בגילוי עובדה חדשה אלא באימות נוסף של תחזיות תורת היחסות.
תחזיות אלו כבר משמשות אותנו בהצלחה, תוך קבלת אישוש יום יומי, בישומים שונים שאולי הבולט שבהם הוא ה GPS.

עוד בנושא:
שלל כתבות בעיתונות העולמית

27 תגובות ל “זוג שעונים אטומיים מאלומיניום מאמתים את פרדוקס התאומים והאטת הזמן של איינשטיין”

  1. ניסים

    כדאי להבהיר שניתן להסביר את "פרדוקס" התאומים ללא כל קשר לתאוצות. כדי להבין את זה אינטואיטיבית, בואו ניקח דוגמא של האצה אחידה למהירות קבועה, שיוטו במהירות זה לנקודה בחלל, וחזרה באותו פרופיל. עכשיו שימו לב ל-3 נקודות:
    1) אם נכפיל את קצב ההאצה אזי זמן ההאצה יקטן בחצי, ולכן, בקירוב ראשון, סביר שההשפעה על השעון לא תשתנה.
    2) אם נכפיל את המרחק לנקודה בחלל, שינוי הזמן יוכפל.
    3) כל זה נכון גם במהירויות נמוכות יחסית, אם המרחק לנקודה מספיק גדול. כלומר – משך הזמן והמהירות משפעים, ולא גודל ההאצות.

    כלומר – הפרדוקס קיים, ונפתר בתורת היחסות הפרטית. בכלל, רצוי להדגיש שתורת היחסות הפרטית מטפלת גם בתנועה מואצת.

הוספת תגובה

  • (will not be published)