Библиотека по физике Библиотека по физике
Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


10.06.2018

Физики наблюдали за ходом часов 14 лет подряд

Эксперимент Биджуната Патлы (Bijunath Patla) звучит скучно: собрать 12 самых точных часов по всему миру и наблюдать за ними. Задача «Не умереть со скуки — версия для физиков». Команда учёных, базирующаяся в Национальном институте стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) в Боулдере, штат Колорадо, начала наблюдение за часами 11 ноября 1999 г. Более 14 лет исследователи продолжали наблюдать за течением 450 миллионов секунд.

Физики наблюдали за ходом часов 14 лет подряд
Физики наблюдали за ходом часов 14 лет подряд

Но терпение окупилось. В статье, опубликованной в Nature Physics, раскрывается глубина результатов чрезвычайно монотонного эксперимента. Патла пишет, что ход часов на самом деле иллюстрирует один из самых фундаментальных принципов законов физики: ни время, ни место во Вселенной не существуют сами по себе. Это одна из основных идей общей теории относительности Эйнштейна, описывающей, как вокруг Солнца вращаются планеты и как гравитационные волны порождаются столкновением нейтронных звёзд. Законы физики применимы сегодня так же, как и 4,5 млрд лет назад, когда образовалась Луна, или в 2000 г., когда вы слушали группу Creed.

Это постоянство кажется очевидным. Бросьте мяч сегодня, и он приземляется так же, как вчера. Но можем ли мы быть уверены, что законы физики не меняются, хотя бы чуть-чуть каждый день? Это скрытое логическое допущение, которое лежит в основе всей науки. Мы предполагаем, что самолёт и дальше будет летать, потому что он всегда это делал, а сода и уксус останутся гарантией пышного пирога. Но что, если законы физики действительно меняются со временем, а мы просто слишком неуклюжи, чтобы это почувствовать?

«Изменения могут быть очень-очень маленькими», — считает физик Николас Юнес (Nicolas Yunes) из Университета штата Монтана (Montana State University), не участвовавший в эксперименте. Хотя все доказательства пока показывают постоянство законов физики, но всегда будет повод сомневаться. «Всё, что мы измеряем, является приблизительным, — говорит он. - Если вы измеряете расстояние с помощью линейки, то точность измерения будет зависеть от точности самой линейки».

Чтобы отследить законы изменения физики, необходимо с кропотливой точностью провести множество экспериментов, максимально разнесённых в пространстве. Если результаты когда-нибудь станут другими, то это повод предположить, что законы природы могли измениться. Задача Патлы: наблюдать за часами, до изнеможения, более 14 лет.

Его команда выбрала атомные часы, как одни из самых точных механизмов, когда-либо изобретённых людьми. Вместо того чтобы тикать по качанию маятника или вибрации в кварцевом кристалле, эти часы следуют за равномерными атомными колебаниями. Атомы излучают световые волны с постоянными колебаниями несколько миллиардов раз в секунду. Часы Патлы подсчитывают циклы света, которые настолько устойчивы, что погрешность составляет менее одной секунды за десятки миллионов лет.

Но команда Патлы не интересовалась временем — они изучали свет внутри часов, излучаемый атомами. Цвет этого света говорит о том, как структурирован исходный атом — как взаимодействуют его намагниченные ядро и электроны, заставляющие каждый компонент слегка толкать и тянуть друг друга.

Часы на цезиевом фонтане, установленные в Национальном институте стандартов и технологий
Часы на цезиевом фонтане, установленные в Национальном институте стандартов и технологий

Лаборатория Патлы выбрала изучение этого абстрактного явления из-за его высокой точности. Часы остаются в помещении с контролируемой температурой и влажностью, а атомы хранятся в вакуумной герметичной камере. Сотрудники NIST посменно управляют часами с особой тщательностью. «Если температура изменится более чем на 0,5 градуса, поступает сигнал тревоги о необходимости это исправить, — говорит Патла. — Большая часть работы автоматизирована, но необходимо как постоянное наблюдение, так и отслеживание звуковых сигналов». Команда Патлы может объяснить любое воздействие со стороны окружающей среды, которое только можно представить, например, гравитацию Земли.

Важно знать, одинаково ли магнитное взаимодействие для разных атомов, и для этого используют два разных типа часов: первые содержат атомы водорода, а вторые — более чем в 100 раз превосходящий водород по массе цезий. Испытуемая концепция похожа на апокрифический эксперимент Галилея, в котором он сбросил два объекта различной массы с Пизанской башни и обнаружил, что они падают с одинаковым ускорением. Патла хотел посмотреть на магнитные взаимодействия в двух разных атомах, состоящих из разного количества протонов, электронов и нейтронов — будут ли они вести себя одинаково во времени и пространстве.

С ноября 1999 по октябрь 2014 гг. велись наблюдения за этими магнитными взаимодействиями в различных местах, но без физического перемещения часов. Технически часы вместе с Землёй вращаются вокруг Солнца и постоянно меняют местоположение, каждый день перемещаясь в новую точку Вселенной. «Лаборатория 14 раз обернулась вокруг Солнца», — говорит Патла. Он не пытается усложнять задачу, эллиптическая орбита Земли автоматически обеспечивает различное расстояние от Солнца и меняющиеся условия эксперимента. В результате часы перемещаются через различные гравитационные поля.

Что в итоге? Субатомные частицы цезия и водорода сохранили постоянство своего движения в течение 14 лет в разных точках земной орбиты.

Хотя группа Патлы окончательно не доказала, что законы физики неизменны во времени и в пространстве, но было показано, что самые передовые технологии человечества за последние 14 лет не зафиксировали изменений в законах физики в нашей части Вселенной. И об универсальности таких выводов для всей Вселенной можно говорить уже с большей уверенностью.

«Справедливость выводов для местоположения Земли — это не слишком весомый аргумент для экстраполяции на всю Вселенную, — говорит физик Клиффорд Уилл (Clifford Will) из Флоридского университета (University of Florida), не принимавший участие в эксперименте. — Но это неплохое предположение, и есть некоторые доказательства того, что физика здесь и в других галактиках и в другое время должна быть одинаковой».

Уилл не удивляется результату. Если бы было обнаружено ежедневное изменение магнитных взаимодействий, это бы перевернуло теорию физики. «Но стоит расширять границы — вдруг что-то найдётся», — добавляет он.

Особенно важно подтверждение основ. Теория общей относительности Эйнштейна объясняет невероятно много о наблюдаемой части Вселенной, но не может объяснить всё: например, что такое тёмная материя, или почему Вселенная расширяется с ускорением. Теория неполна, а эти наблюдения помогут физикам понять больше.

Команда Патлы планирует повторный эксперимент с обновлёнными часами, точность которых в три раза выше. Подтолкнёт ли их это к новым идеям, объясняющим природу Вселенной — покажет время.

София Чэнь (Sophia Chen)


Источники:

  1. 22century.ru




Пользовательского поиска




Физики впервые соединили в молекулу отдельные атомы

Учитель из Одессы записал углубленный онлайн-курс по физике. Он насчитывает 473 видеоурока и доступен на Youtube

Физики наблюдали за ходом часов 14 лет подряд

Разработан двумерный магнит из кремниевого аналога графена

Что такое пространство-время? Пытаемся разобраться

Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

Пять неожиданных и грандиозных открытий физики

Мария Склодовская-Кюри - единственная в истории женщина, получившая две Нобелевские премии

Учёные получили 'жидкий свет' при комнатной температуре

Нобелевская премия по физике — 2017 - за решающий вклад в создание детектора LIGO и регистрацию гравитационных волн

Виталий Гинзбург, лауреат Нобелевской премии по физике 2003 г.

Физики превратили непроводящий полимер в полупроводник силой звука

Десять невозможных вещей, ставших возможными благодаря современной физике

Физики нашли возможную брешь в Стандартной модели

Ученые объяснили звуки метеоров

Теория эмерджентности: что такое реальность?

Ученые математически доказали недостижимость абсолютного нуля температуры

Четыре крупнейших ошибки в научной жизни Эйнштейна






© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'PhysicLib.ru: Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru