Lassabban öregszik, aki a földszinten lakik - elkészült a világ legpontosabb órája

A világ legpontosabb órájával - amely 3,7 milliárd év alatt siet vagy késik egy másodpercet - egy szobában is sikerült kimutatni, hogy a magasabban lévő órák gyorsabban járnak. Ez többek között azt jelenti, hogy immár kimutathatóan gyorsabban öregszik az, aki pár lépcsőfokkal feljebb lép: egy emberöltő alatt a másodperc 25 milliárdod részével.

A tudósok már majdnem száz éve tudják, hogy nagyobb magasságban gyorsabban telik az idő. A relativitáselméletnek ezt a következményét kísérletileg egy földfelszínen hagyott, illetve egy rakétán vagy repülőgépen elhelyezett atomóra összehasonlításával mutatták ki. Az órák eltérése nanomásodperces (milliárdod másodperces) nagyságrendű. Mivel a magasabban levő órára kisebb gravitáció hat, gyorsabban jár.

Az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) szakemberei az általuk nemrég kifejlesztett kvantumórával most egy szobában, mindössze 33 centiméteres magasságkülönbségnél (ennyivel volt feljebb az egyik óra a másiknál) is kimérték ezt a hatást. A magasabbra helyezett óra járása az előrejelzéseknek megfelelően gyorsabb lett. Ez többek között azt jelenti, hogy immár kimutathatóan gyorsabban öregszik az, aki pár lépcsőfokkal feljebb lép. A mért időkülönbség persze az ember számára érzékelhetetlenül kicsi: 79 év alatt a másodperc 25 milliárdod része.

A kutatók egy másik relativisztikus hatást is megfigyeltek, az úgynevezett idődilatációt. Ez a jelenség okozza azt, hogy a gyorsabban utazók ideje lassabban telik (a sci-fi novellákból ezt sokan ismerik). Az új szuperpontos órával ez a hatás már 30 km/óra sebességkülönbségnél is mérhető. Ennek érzékelésére már nem az egész óraszerkezetet mozgatták, csak a benne lévő alumíniumiont hozták néhány méter/másodperces (m/s) sebességű rezgésbe. A mozgó iont tartalmazó óra - a relativitáselmélet előrejelzésének megfelelően - valamivel lassabban járt, mint a másik. (Az idődilatációt cézium atomórával is ki lehet mutatni, de ahhoz gyors repülőgépen kell szállítani az egyik óraszerkezetet.)

Az ilyen pontosságú méréseket lehetővé tevő optikai atomóra-pár működése egy-egy alumíniumion "ketyegésén" alapul: az ion két energiaszint között rezeg másodpercenként millió-milliárdszor (azaz 10¹⁵-szer). A két órát különböző helyiségekben helyezték el, és egy 75 méter hosszúságú optikai kábellel kötötték össze őket a "ketyegési ütemek", azaz az atomi rezgések összehasonlíthatósága érdekében.

A kvantumóra szíve, ahol az alumíniumion rezeg

A NIST alumíniumion óráit "kvantumlogikai óráknak", röviden kvantumóráknak is nevezik, mert logikai döntéshozó technikájukat kísérleti kvantumszámításoktól kölcsönözték. Az órák pontossága és stabilitása olyan kis időkülönbségeket is kimutathatóvá tesz, amilyenekre eddig nem volt példa. A kvantumóra 3,7 milliárd év alatt siet vagy késik egy másodpercet, azaz pontossága a céziumatom-alapú atomórákénak 30-szorosa. A kvantumórák optikai frekvencián kisugárzott lézerfénnyel működnek, azaz a céziumos atomórákban használt mikrohullámúnál magasabb frekvencián. Így az optikai órák a jelenlegi szabványos atomórákénál nagyságrendekkel pontosabb időszabványhoz vezethetnek.

"Az atomfizika eddigi legmagasabb jósági tényezőjét figyeltük meg eddig," - mondja Chin-wen Chou,a NIST fizikusa. A Q-tényezőnek is nevezett jósági tényező azt fejezi ki, hogy egy rezonanciafrekvencián rezgő rendszer, például egy hangvilla mennyire őrzi meg energiáját.

A szuperpontos óra hasznos lehet a geodéziában, a Föld és gravitációs mezője mérésének tudományában, geofizikai és hidrológiai alkalmazásokban, és az alapvető fizikai elméletek űrbázisú ellenőrzésében. A méréstechnika története azt mutatja, hogy az egyre pontosabb időmérők kifejlesztésük után nem sokkal nélkülözhetetlenné váltak. A kutatók remélik, hogy az alumíniumórák pontossága a jelenleginek legalább a tízszeresére növelhető. A cél az 1 centiméteres magasságkülönbségnek megfelelő időlassulás mérése, amire máris várnak a geodéziai mérések szakemberei.