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एक नई घड़ी दिखाती है कि गुरुत्वाकर्षण समय को कैसे बदल देता है — यहां तक ​​कि छोटी दूरी पर भी

दुनिया की सबसे सटीक घड़ी अंतरिक्ष और गुरुत्वाकर्षण की भी जांच करती है

JILA के शोधकर्ताओं ने स्ट्रोंटियम परमाणुओं (केंद्र, सफेद गेंद) के इस छोटे से बादल के भीतर समय के फैलाव को मापा - या कैसे एक परमाणु घड़ी की टिक दर ऊंचाई के साथ बदलती है।

आर. जैकबसन/NIST

गुरुत्वाकर्षण बल समय को टाफी की तरह मानता है। इसका खिंचाव जितना मजबूत होता है, उतना ही अधिक गुरुत्वाकर्षण समय को बढ़ा सकता है, जिससे यह अधिक धीरे-धीरे गुजरता है। एक नई परमाणु घड़ी का उपयोग करके, वैज्ञानिकों ने अब तक की सबसे कम दूरी पर समय की इस धीमी गति को मापा है -सिर्फ एक मिलीमीटर(0.04 इंच)।

अल्बर्ट आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता का सिद्धांत भविष्यवाणी करता है किजहां गुरुत्वाकर्षण अधिक मजबूत होता है, वहां समय अधिक धीरे-धीरे गुजरता है . इसे कहते हैंसमय फैलाव . गुरुत्वाकर्षण पृथ्वी के केंद्र के करीब अधिक मजबूत होता है। इसलिए, आइंस्टीन के अनुसार, समय को धीरे-धीरे जमीन के करीब जाना चाहिए। (और प्रयोगों ने इसकी पुष्टि की है।)

जून ये ने शोध समूह का नेतृत्व किया जो अब दिखाता है कि यह कैसे सुपर छोटी दूरी पर भी रहता है। वह बोल्डर, कोलो में जिला में एक भौतिक विज्ञानी हैं। (उस संस्थान को कभी प्रयोगशाला खगोल भौतिकी के लिए संयुक्त संस्थान के रूप में जाना जाता था।) यह कोलोराडो विश्वविद्यालय और राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान द्वारा चलाया जाता है।

गुरुत्वाकर्षण में छोटे बदलावों को महसूस करने की नई घड़ी की क्षमता इसे एक शक्तिशाली उपकरण बनाती है। यह जलवायु परिवर्तन की निगरानी में मदद कर सकता है। यह ज्वालामुखी विस्फोटों की भविष्यवाणी करने में भी मदद कर सकता है - यहां तक ​​​​कि पृथ्वी का नक्शा भी। और इसका डिज़ाइन परमाणु घड़ियों के लिए मार्ग प्रशस्त करता है जो और भी अधिक सटीक हैं, इसके निर्माता कहते हैं। ऐसी घड़ियां ब्रह्मांड के मूलभूत रहस्यों को सुलझाने में मदद कर सकती हैं।

ये और उनके सहयोगियों ने 22 फरवरी को अपने निष्कर्षों का वर्णन कियाप्रकृति.

आपके दादा की घड़ी नहीं

अलेक्जेंडर एपली कहते हैं, "नई परमाणु घड़ी" कई अलग-अलग घटकों के साथ एक बड़ी, बिखरी हुई प्रणाली है। वह कोलोराडो विश्वविद्यालय में ये की टीम में स्नातक छात्र हैं। कुल मिलाकर, नई घड़ी दो कमरों में फैली हुई है और इसमें दर्पण, निर्वात कक्ष और आठ लेजर हैं।

सभी घड़ियों के तीन मुख्य भाग होते हैं। पहला कुछ ऐसा है जो आगे और पीछे जाता है, या दोलन करता है। फिर, वहाँ एक काउंटर है जो दोलनों की संख्या को ट्रैक करता है। (यह लगातार बढ़ती गिनती घड़ी पर दिखाए गए समय को आगे बढ़ाती है।) अंत में, एक संदर्भ है जिसके खिलाफ घड़ी की टाइमकीपिंग की तुलना की जा सकती है। यह संदर्भ यह जांचने का एक तरीका प्रदान करता है कि घड़ी बहुत तेज या बहुत धीमी गति से चल रही है या नहीं।

JILA के वैज्ञानिकों ने अभी तक की सबसे छोटी दूरी पर समय के फैलाव को मापने के लिए एक नई परमाणु घड़ी का निर्माण किया। एक प्रमुख विशेषता यह है कि इसके टाइम-कीपिंग परमाणु एक मिलीमीटर के अंतराल के ऊपर और नीचे लंबवत रूप से ढेर होते हैं, जैसा कि इस वीडियो में दिखाया गया है।

एपली कहते हैं कि दादाजी घड़ी यह देखने का एक उपयोगी तरीका है कि ये सभी भाग एक साथ कैसे काम करते हैं। इसमें एक पेंडुलम होता है जो एक नियमित अंतराल पर आगे-पीछे घूमता है, या दोलन करता है - एक सेकंड में एक बार। प्रत्येक दोलन के बाद, एक काउंटर घड़ी के दूसरे हाथ को आगे बढ़ाता है। साठ दोलनों के बाद, काउंटर मिनट की सुई को आगे बढ़ाता है। और इसी तरह। ऐतिहासिक रूप से, दोपहर के समय सूर्य की स्थिति इन घड़ियों को समय पर चलने को सुनिश्चित करने के लिए एक संदर्भ के रूप में कार्य करती थी।

"एक परमाणु घड़ी में वही तीन घटक होते हैं, लेकिन वे पैमाने में बहुत भिन्न होते हैं," एपली बताते हैं। इसके दोलन एक लेज़र द्वारा प्रदान किए जाते हैं। उस लेज़र में एक विद्युत क्षेत्र होता है जो अविश्वसनीय रूप से तेजी से आगे और पीछे चक्र करता है - इस मामले में, एक सेकंड में 429 ट्रिलियन बार। इलेक्ट्रॉनिक्स की गिनती के लिए यह बहुत तेज़ है। तो, परमाणु घड़ियाँ एक विशेष लेज़र-आधारित उपकरण का उपयोग करती हैं जिसे a . कहा जाता हैआवृत्ति कंघीएक काउंटर के रूप में।

क्योंकि एक परमाणु घड़ी की तेज गति से चलने वाली लेजर समय को इतने छोटे अंतराल में विभाजित करती है, यह समय के पारित होने को बेहद सटीक रूप से ट्रैक कर सकती है। इस तरह के एक सटीक टाइमकीपर को एक सुपर सटीक संदर्भ की आवश्यकता होती है। और नई परमाणु घड़ी में, वह संदर्भ परमाणुओं का व्यवहार है।

घड़ी के केंद्र में 100,000 स्ट्रोंटियम परमाणुओं का एक बादल है। वे लंबवत रूप से ढेर हो गए हैं और दूसरे लेजर द्वारा जगह में रखे गए हैं। वह लेजर प्रभावी रूप से स्ट्रोंटियम परमाणुओं को ऑप्टिकल गुड़ में ठंडा कर देता है - परमाणुओं का एक बादल जो लगभग पूरी तरह से जमे हुए होते हैं। घड़ी का मुख्य लेज़र (जो प्रति सेकंड 429 ट्रिलियन बार दोलन करता है) इस बादल पर चमकता है। जब मुख्य लेजर सही आवृत्ति पर टिक जाता है, तो परमाणु इसके कुछ प्रकाश को अवशोषित कर लेते हैं। एपली बताते हैं, इस तरह वैज्ञानिकों को पता चलता है कि लेजर सही दर पर साइकिल चला रहा है - न बहुत तेज, न बहुत धीमा।

आइंस्टीन की भविष्यवाणी का परीक्षण

क्योंकि नई परमाणु घड़ी इतनी सटीक है, यह समय पर गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव को मापने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। अंतरिक्ष, समय औरगुरुत्वाकर्षण बारीकी से संबंधित हैं, एपली नोट्स। आइंस्टीन के सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत ने समझाया कि यह सच क्यों होना चाहिए।

अभी तक के सबसे छोटे ऊंचाई अंतर पर आइंस्टीन की भविष्यवाणी का परीक्षण करने के लिए, JILA टीम ने नई घड़ी के परमाणुओं के ढेर को दो भागों में विभाजित किया। ऊपर और नीचे के ढेर को एक मिलीमीटर से अलग किया गया था। इसने वैज्ञानिकों को यह देखने की अनुमति दी कि घड़ी का मुख्य लेजर कितनी तेजी से दो अलग-अलग - लेकिन बहुत करीब - ऊंचाई पर टिक गया। इससे यह पता चला कि दोनों जगहों पर समय कितनी तेजी से गुजरा।

शोधकर्ताओं ने उस दूरी के समय में दूसरे अंतर का सौ-चौथाई हिस्सा पाया। निचले ढेर की ऊंचाई पर, समय एक मिलीमीटर ऊपर से थोड़ा धीमा चलता है। और यही आइंस्टीन का सिद्धांत भविष्यवाणी करेगा।

समय पृथ्वी के केंद्र के करीब थोड़ा और धीरे-धीरे गुजरता है। समुद्र तल पर 30 साल बिताने की तुलना में, माउंट एवरेस्ट पर 30 साल आपकी उम्र में 0.91 मिलीसेकंड जोड़ देंगे। उन दशकों को निचले मृत सागर में बिताएं, और यदि आप समुद्र के स्तर पर होते तो आप एक सेकंड के 44 मिलियनवें हिस्से से छोटे होते। अन्य स्थानों पर अपनी आयु देखेंयह चार्ट.एन. हानासेक/एनआईएसटी

अतीत में, इस तरह के मापन के लिए अलग-अलग ऊंचाइयों पर दो समान घड़ियों की आवश्यकता होती थी।उदाहरण के लिए, 2010 में, NIST वैज्ञानिक33 सेंटीमीटर से अधिक समय के फैलाव को मापने के लिए उस तकनीक का इस्तेमाल किया (लगभग 1 फुट)। नई घड़ी अधिक सटीक प्रदान करती हैमापदंड , एपली कहते हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक घड़ी में परमाणुओं के दो ढेर के बीच की ऊंचाई का अंतर बहुत छोटा और अभी भी प्रसिद्ध हो सकता है। "अगर कोई अलग-अलग ऊंचाइयों पर समय मापने के लिए दो घड़ियों का निर्माण करता है, तो घड़ियों के बीच ऊर्ध्वाधर दूरी को एक मिलीमीटर से बेहतर निर्धारित करना बहुत मुश्किल होगा," एपली बताते हैं।

सिंगल-क्लॉक डिज़ाइन के साथ, वैज्ञानिक उनके बीच की दूरी की पुष्टि करने के लिए परमाणुओं के ऊपरी और निचले ढेर की छवियां ले सकते हैं। और वर्तमान इमेजिंग तकनीक, एपली नोट्स, एक मिलीमीटर से बहुत छोटे अलगाव की अनुमति देते हैं। तो भविष्य की घड़ियाँ छोटी दूरी पर भी समय के फैलाव के प्रभावों को माप सकती हैं। शायद पड़ोसी परमाणुओं के बीच की खाई जितना छोटा।

जलवायु परिवर्तन, ज्वालामुखी और ब्रह्मांड के रहस्य

"यह वास्तव में दिलचस्प है," सेलिया एस्कैमिला-रिवेरा कहते हैं। वह मेक्सिको सिटी में नेशनल ऑटोनॉमस यूनिवर्सिटी ऑफ़ मैक्सिको में ब्रह्मांड विज्ञान का अध्ययन करती है। इस तरह की सटीक परमाणु घड़ियां वास्तव में किशोरावस्था में समय, गुरुत्वाकर्षण और स्थान की जांच कर सकती हैं। और इससे हमें बेहतर ढंग से समझने में मदद मिलती हैभौतिक सिद्धांत जो ब्रह्मांड को नियंत्रित करते हैं, वह कहती है।

आइंस्टीन का सामान्य सापेक्षता का सिद्धांत गुरुत्वाकर्षण के संदर्भ में उन सिद्धांतों का वर्णन करता है। यह बहुत अच्छी तरह से काम करता है - जब तक आप परमाणुओं के पैमाने तक नहीं पहुंच जाते। वहां, क्वांटम भौतिकी नियम। औरयह एक बेतहाशा भिन्न प्रकार की भौतिकी है सापेक्षता की तुलना में। तो, क्वांटम दुनिया के साथ गुरुत्वाकर्षण वास्तव में कैसे फिट बैठता है? कोई नहीं जानता। लेकिन नई समय-फैलाव माप के लिए उपयोग की जाने वाली घड़ी की तुलना में 10 गुना अधिक सटीक घड़ी भी एक झलक पेश कर सकती है। और यह नवीनतम घड़ी डिजाइन उसके लिए मार्ग प्रशस्त करता है, एस्कैमिला-रिवेरा कहते हैं।

ऐसी सटीक परमाणु घड़ियों के अन्य संभावित उपयोग भी हैं। एप्ली कहते हैं, विश्वसनीय और उपयोगकर्ता के अनुकूल परमाणु घड़ियों का एक सेट बनाने की कल्पना करें। "आप उन्हें उन सभी जगहों पर रख सकते हैं जहाँ आप ज्वालामुखियों के फटने से चिंतित हैं।" विस्फोट से पहले, जमीन अक्सर सूज जाती है या कांप जाती है। यह क्षेत्र में एक परमाणु घड़ी की ऊंचाई को बदल देगा, और इसलिए यह कितनी तेजी से चलती है। इसलिए वैज्ञानिक परमाणु घड़ियों का उपयोग ऊंचाई में छोटे बदलावों का पता लगाने के लिए कर सकते हैं जो संभावित विस्फोट का संकेत देते हैं।

एपली का कहना है कि पिघलने वाले ग्लेशियरों की निगरानी के लिए इसी तरह की तकनीकों का इस्तेमाल किया जा सकता है। या, वे सटीकता में सुधार कर सकते हैंजीपीएस सिस्टमपृथ्वी की सतह पर ऊंचाई को बेहतर ढंग से मैप करने के लिए।

एपली का कहना है कि एनआईएसटी और अन्य प्रयोगशालाओं के वैज्ञानिक पहले से ही ऐसे उपयोगों के लिए पोर्टेबल परमाणु घड़ियों पर काम कर रहे हैं। वे आज उपयोग में आने वाले लोगों की तुलना में छोटे और अधिक टिकाऊ होने चाहिए। उन्होंने नोट किया कि सबसे सटीक घड़ियां हमेशा अच्छी तरह से नियंत्रित परिस्थितियों वाली प्रयोगशाला में होंगी। लेकिन जैसे-जैसे लैब-आधारित डिवाइस बेहतर होते जाएंगे, वैसे-वैसे अन्य अनुप्रयोगों के लिए घड़ियां भी होंगी। "जितना बेहतर हम समय को मापते हैं," एपली कहते हैं, "जितना बेहतर हम कई अन्य चीजें कर सकते हैं।"

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