(Sauerstoff/Moment/Getty Images) Gehen Sie nah genug an a heran schwarzes Loch und Sie werden schnell lernen, wie die Schwerkraft das Gefüge der Realität verzerrt.
Hier auf der Erde ist der zeitverzerrende Effekt der Schwerkraft bei weitem nicht so stark. Es ist jedoch immer noch messbar. Darüber hinaus haben Physiker einen neuen Rekord bei der Beschreibung des Einflusses unseres Planeten auf das „Gefüge“ des Universums aufgestellt – und zwar im Millimetermaßstab.
Es ist ein Meilenstein, den es zu beachten gilt. Wenn wir so nah an die sanfte Kurve der Grundlagen der Realität heranzoomen, könnten wir eines der drängendsten Probleme der gesamten Physik lösen.
Forscher von JILA, einer gemeinsamen Initiative des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado, verwendeten eine speziell entwickelte Atomuhr, um den zeitlichen Ablauf von Lichtwellen zu messen, die einen Abstand von 1 Millimeter (etwa 0,04 Zoll) hatten, was zu einem Unterschied führte auf nur 0,76 Millionstel Billionstel Prozent.
Der Unterschied war das Ergebnis einer sogenannten Gravitationsrotverschiebung – ein Phänomen, das durch den Einfluss der Schwerkraft auf die Frequenz zweier identischer Wellen im Vergleich zueinander verursacht wird.
So unvorstellbar klein die Zahl auch erscheinen mag, für die Forscher ist sie keine Überraschung. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie sagt schließlich genau dieses Ergebnis voraus.
Was wie zwei unterschiedliche Konstanten von Raum und Zeit erscheint, ist in Wirklichkeit eine einzige vierdimensionale Schicht, in der das Universum liegt. Jedes Mal, wenn etwas mit Masse darin versinkt, verändert die umgebende Raumzeit ihre Form.
Das Ergebnis bedeutet, dass die Länge einer Sekunde in der Nähe eines Objekts – sei es die Erde, ein Schwarzes Loch oder sogar eine Gummibärchen – nicht die gleiche Länge einer Sekunde weiter entfernt hat.
Die Mathematik ist so präzise und also gründlich getestet , können wir diesen Unterschied für unglaublich kleine Entfernungen vorhersagen, selbst wenn die Gravitationsverzerrung so gering ist wie die der Erde.
Sie müssen auch falsch sein. Zumindest auf einer winzigen Ebene.
Quantenmechanik ist ein weiterer Bereich der Physik das wurde gründlich getestet. Eine der weniger intuitiven Implikationen besteht darin, dass andere Eigenschaften grundsätzlich ungenauer werden, wenn man eine Messung auf eine Art beschränkt.
So zuverlässig die beiden monolithischen Bereiche der Physik auch sind, sie passen nicht gerade gut zusammen. Zeit ist nicht so zentral in der Quantenmechanik, wie es ist generelle Relativität , für eine Sache.
Noch wichtiger ist, dass sich dieses nahtlose Blatt Raumzeit so anmutig krümmt generelle Relativität Unter einem Quantenmikroskop wäre das aufgrund des bereits erwähnten Problems mit weniger präzisen Eigenschaften ein unscharfes Durcheinander. Dies wäre ein Albtraum für jeden, der nach einer Möglichkeit sucht, die beiden Ideen miteinander zu verbinden.
Was wir brauchen, ist ein Anzeichen dafür, dass eine der beiden Theorien versagt , was bedeuten könnte, herauszufinden, wo unsere Vorhersagen auf einer winzigen Ebene scheitern.
Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt Den Forschern gelang es, einen Unterschied in der relativen Frequenz des Lichts zu messen, das von Atomen emittiert wird, die einen vertikalen Abstand von etwas mehr als 30 Zentimetern (etwa einem Fuß) haben.
In dieser neuen Studie gelang es den Forschern, die Atomdichte um eine Größenordnung zu verringern und die Höhe von Zentimetern auf einige wenige Millimeter zu reduzieren, indem sie einen neuen Hohlraum zur Steigerung der Experimentleistung verwendeten.
In diese Kammer schoben sie 100.000 Strontiumatome, die sie praktisch zum Stillstand brachten, indem sie so viel Wärme wie möglich abführten.
Anschließend maßen sie das von der Ober- und Unterseite des Atomstapels emittierte Licht und korrigierten alle Effekte, die nicht gravitativer Natur waren.
Nach 92 Stunden Beobachtung dieser winzigen Uhren hatten sie einen Durchschnitt, der mehr oder weniger dem Ergebnis entsprach, das man erwarten würde, wenn die allgemeine Relativitätstheorie wahr wäre.
Das Team hat die Arbeit für nicht veröffentlicht Peer-Review noch, aber die Ergebnisse sind auf der verfügbar Preprint-Server arXiv damit jeder es sich ansehen kann.
Der Unterschied zwischen den gravitativ rotverschobenen Emissionen war so gering, dass er einen Rekord dafür darstellt, wie fein der Unterschied ist, den wir erkennen können, und uns ein fast 100-mal präziseres Maß für das Phänomen liefert als alles, was in der Vergangenheit erreicht wurde.
Es ist nicht gerade das theoriezerstörende Ergebnis, nach dem wir uns sehnen, aber es ist eine Lektion darüber, wie wir die Technologie auf ein Maß reduzieren können, das nötig ist, um Schwachstellen in zwei der großartigsten Ideen der Physik zu finden.