Dilatarea relativista a timpului

Teoria relativitatii a lui Einstein arata ca un ceas isi incetineste frecventa batailor in doua situatii diferite:

1. Teoria speciala a relativitatii, arata ca un ceas aflat in miscare uniforma, are o frecventa de bataie mai mica decat cel aflat in repaus. Pe de alta parte,
2. Teoria generala a relativitatii, arata ca un ceas aflat in apropierea suprafetei unei planete merge mai incet ca unul aflat la o inaltime de suprafata planetei.

Primul caz este bine cunoscut si verificat in diverse experimente de fizica particulelor elementare. Al doilea caz a fost si el verificat, iar de curand (24 Sept.2010) s-au publicat (Science Vol.329, p.1630) rezultatele masurarii dilatarii timpului datorata variatiei intensitatii campului gravitational terestru intre doua puncte aflate pe verticala la o distanta de Dh = 33 cm.

Grupul de cercetatori C.W.Chou, D.B.Hume, T.Rosenband, D.J.Wineland de la National Institute of Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado, USA, au folosit pe post de "ceas" frecventa f a radiatiei electromagnetice emise de ionul de ²⁷Al⁺. Aceasta s-a masurat cu ajutorul unui laser, care a produs excitarea tranzitiei ¹S₀ ßà ³P₀, care la rezonanta are frecventa egala cu cea de emisie a ionului de ²⁷Al⁺. Un asemenea "ceas" realizat de grupul de cercetatori mai sus amintit, are o precizie de o secunda la 3,7 miliarde de ani.

S-au masurat prin urmare atat frecventa f₀ de emisie a ionului de ²⁷Al⁺ aflat la nivelul solului, cat si frecventa f a ionului aflat la o inaltime de 33 cm fata de sol (vezi Figura). Cele doua asemenea ceasuri au prezentat o variatie relativa a frecventei de oscilatie df / f₀ = (4,1 ±1,6) ´10^-17.

Daca frecventa radiatiei a scazut la ceasul de jos, inseamna ca perioada de oscilatie a acestuia T = 1/f a crescut, deci a avut loc o dilatare a timpului in campul gravitational mai intens, in perfecta concordanta cu prezicerile teoriei generale a relativitatii. Folosind legatura intre aceasta marime si diferenta de inaltime Dh, prin relatia: df / f₀ = g Dh / c², unde g=9,80 m/s² este acceleratia gravitationala a locului, iar c este viteza luminii, putem folosi variatia df a frecventei de oscilatie a radiatiei electromagnetice la masurarea inaltimii la care se afla ceasul nostru.

Asemenea efecte relativiste observate si masurate cu ajutorul unor ceasuri atomice in domeniul optic al oscilatiilor electromagnetice, prezinta precizii deosebite, dupa cum am spus mai sus. Aceasta permite observarea unor variatii mici ale campului gravitational, cu aplicatii in geodezie, hidrologie si testarea unor procese fizice fundamentale din spatiu.

O retea geodezica realizata cu asemenea ceasuri atomice, permite masurarea distantelor de la Pamant la diverse obiecte cosmice sau pentru determinarea inaltimii diverselor puncte terestre, cu o rezolutie spatiala foarte buna. De asemenea reluarea masurarilor in cazurile de modificare a scoartei terestre, se poate face cu multa promptitudine, precum si in cazurile de alcatuire a hartilor cu ajutorul masurarilor cu sateliti. Ramane sa vedem cat de repede aceste rezultate vor ajunge implementate in practica.

Figura Conform teoriei generale a relativitatii, un ceas aflat in camp gravitational intens (la inaltime mai joasa) merge mai incet ca unul aflat in camp gravitational slab (la o inaltime mai mare).