아인슈타인 일반 상대성 이론 원자 시계로 mm 단위 측정

JILA 물리학자들은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)의 일반 상대성 이론, 시간 팽창(time dilation) 효과를 사상 가장 작은 규모로 측정했다.

네이처(Nature) 2월 17일자에 발표된 실험은 원자 시계를 오늘날 최고의 설계보다 50배 더 ​​정밀하게 만드는 방법을 제안하고 상대성 이론과 중력이 물리학의 주요 난제인 양자 역학과 상호 작용하는 방식을 밝히는 경로를 제공한다.

JILA는 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)와 콜로라도 볼더 대학(University of Colorado Boulder)이 공동으로 운영한다.

NIST/JILA 펠로우 Jun Ye는 “가장 중요하고 흥미로운 결과는 입자가 곡선 시공간의 다른 위치에 분포되어 있을 때 복잡한 물리학을 조사하는 것과 같이 양자 물리학을 중력과 잠재적으로 연결할 수 있다는 것이다. 시간 측정의 경우 현재보다 50배 더 ​​정밀한 시계를 만드는 데 장애물이 없다는 것도 보여준다. 이는 환상적인 소식”이라고 말했다.

아인슈타인의 1915년 일반 상대성 이론(theory of general relativity)은 시간에 대한 중력 효과와 같은 대규모 효과를 설명하고 GPS 위성 측정 수정과 같은 중요한 실제 응용 프로그램을 가지고 있다. 이론이 100년이 넘었지만 물리학자들은 여전히 ​​그것에 매료되어 있다. NIST 과학자들은 원자 시계를 센서로 사용하여 상대성 이론을 점점 더 정확하게 측정했다. 이는 원자 시계의 효과가 아원자 세계의 규칙서인 양자 역학과 상호 작용하는 방식을 최종적으로 설명하는 데 도움이 될 수 있다.

일반 상대성 이론에 따르면 중력장의 다른 고도에 있는 원자 시계는 다른 속도로 똑딱인다. 원자 복사의 주파수는 지구에 더 가까운 더 강한 중력에서 관찰될 때 전자기 스펙트럼의 빨간색 끝 쪽으로 이동하여 감소한다. 즉, 시계는 낮은 고도에서 더 느리게 똑딱거린다. 이 효과는 반복적으로 입증됐다. 예를 들어, NIST 물리학자들은 2010년에 두 개의 독립적인 원자 시계를 비교하여 이를 측정했다.

JILA 연구원들은 이제 그룹의 초기 원자 시계와 유사한 실험실 설정인 광학 격자에 로드된 약 10만개의 극저온 스트론튬 원자의 단일 샘플의 상단과 하단 사이의 주파수 이동을 측정했다. 이 새로운 경우 레이저 빔으로 만든 팬케이크 더미로 시각화할 수 있는 격자는 비정상적으로 크고 평평하며 얇은 케이크를 가지고 있으며 일반적으로 사용되는 것보다 덜 강렬한 빛에 의해 형성된다. 이 디자인은 빛과 원자의 산란으로 인해 일반적으로 발생하는 격자의 왜곡을 줄이고 샘플을 균질화하며 특정 위치에서 원자를 찾을 확률을 나타내는 모양의 원자 물질 파동을 확장한다. 원자의 에너지 상태는 매우 잘 제어되어 양자 일관성(quantum coherence)이라고 불리는 것에 대한 기록인 37초 동안 두 에너지 준위 사이를 정확히 일치시킨다.

새로운 결과의 핵심은 샘플 전반에 걸친 주파수 분포의 현미경 지도를 제공하는 Ye 그룹의 이미징 혁신과 두 개의 개별 클록을 사용하는 기존 접근 방식 대신 원자 구름의 두 영역을 비교하는 방법이었다.

원자 구름을 가로질러 측정된 적색편이는 예측과 일치하는 0.0000000000000000001의 영역에서 아주 작았다. 그 차이는 우주와 GPS와 같은 기술에 큰 영향을 미친다. 연구팀은 평균 데이터 약 30분 만에 이러한 유형의 실험에서 이 차이를 빠르게 해결했다. 90시간의 데이터 후 측정 정밀도는 이전의 어떤 클럭 비교보다 50배 더 ​​우수했다.

Ye는 “이것은 완전히 새로운 볼게임이며, 곡선 시공간에서 양자 역학을 탐구할 수 있는 새로운 영역이다. 이보다 10배 더 잘 적색편이를 측정할 수 있다면 시공간의 곡률을 가로질러 원자의 전체 물질파동을 볼 수 있을 것이다. 그러한 미세한 규모의 시간차를 측정할 수 있다는 것은 우리가 예를 들어 중력이 양자 일관성을 방해한다는 사실을 발견하면 거시적 세계가 고전적인 이유가 될 수 있다”고 말했다.

더 나은 시계는 시간 기록 및 탐색 외에도 많은 응용 프로그램을 사용할 수 있다. Ye는 원자 시계가 양자 역학과 중력 사이의 미세한 연결을 보는 현미경과 우주의 가장 깊은 구석을 관찰하는 망원경 역할을 할 수 있다고 제안한다. 그는 시계를 사용하여 우주에서 대부분의 물질을 구성하는 것으로 여겨지는 암흑 물질을 찾고 있다. 원자 시계는 또한 상대론적 측지학(relativistic geodesy)이라는 측정 과학의 적용을 통해 지구의 모양에 대한 이해와 모델을 개선할 여지도 있다.