Το 1905, η αντίληψή μας για το πώς το Σύμπαν άλλαξε για πάντα όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε την ειδική θεωρία της σχετικότητας. Πριν από τον Αϊνστάιν, οι επιστήμονες ήταν σε θέση να περιγράψουν κάθε «σημείο» στο Σύμπαν με τη χρήση μόλις τεσσάρων συντεταγμένων: τρεις χωρικές θέσεις για καθεμία από τις τρεις διαστάσεις, συν ένα χρόνο για να υποδείξουν ποια στιγμή συνέβη ένα συγκεκριμένο γεγονός. Όλα αυτά άλλαξαν με τον Αϊνστάιν ο οποίος είπε ανάλογα με την κίνηση και τη θέση του, ο καθένας είχε μια μοναδική προοπτική για το πού και πότε θα είχε συμβεί κάθε γεγονός στο Σύμπαν.
Κάθε φορά που ένας παρατηρητής κινείται μέσα στο Σύμπαν σε σχέση με έναν άλλο, ο παρατηρητής σε κίνηση θα βιώσει διαστολή του χρόνου: όπου τα ρολόγια του τρέχουν πιο αργά σε σχέση με τον παρατηρητή σε ηρεμία. Με βάση αυτό, ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε δύο ρολόγια για να το δοκιμάσουμε: ένα στον ισημερινό, ο οποίος κινείται γύρω από τη Γη με περίπου 1670 χλμ/ω και ένα στους πόλους της Γης που βρίσκεται σε ηρεμία καθώς η Γη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της.
Από αυτή την άποψη, ωστόσο, ο Αϊνστάιν έκανε λάθος: και τα δύο ρολόγια λειτουργούν ακριβώς με τον ίδιο ρυθμό το ένα σε σχέση με το άλλο. Μόλις το 1971 μπόρεσε να διεξαχθεί ένα σωστό τεστ και χρειάστηκαν πολύ περισσότερα από την ειδική σχετικότητα για να γίνει αυτό.
Αυτή η απεικόνιση ενός ρολογιού φωτός δείχνει πώς, όταν είστε σε ηρεμία (αριστερά), ένα φωτόνιο ταξιδεύει πάνω - κάτω μεταξύ δύο κατόπτρων με την ταχύτητα του φωτός. Όταν είστε «ενισχυμένοι» (κινούμενοι προς τα δεξιά), το φωτόνιο κινείται επίσης με την ταχύτητα του φωτός, αλλά χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να ταλαντωθεί μεταξύ του κάτω και του επάνω καθρέφτη. Ως αποτέλεσμα, ο χρόνος διαστέλλεται για αντικείμενα σε σχετική κίνηση σε σύγκριση με τα ακίνητα.
Όταν ο Αϊνστάιν παρουσίασε για πρώτη φορά την ειδική θεωρία της σχετικότητας, έλειπε ένα στοιχείο από αυτήν: δεν ενσωμάτωσε τη βαρύτητα στο μείγμα. Δεν είχε ιδέα ότι η εγγύτητά σας σε μια μεγάλη βαρυτική μάζα θα μπορούσε επίσης να αλλάξει το πέρασμα του χρόνου. Λόγω της περιστροφής του πλανήτη και της ελκτικής βαρυτικής δύναμης κάθε σωματιδίου που αποτελείται από τη Γη, ο πλανήτης μας διογκώνεται στον ισημερινό και συμπιέζεται στους πόλους. Ως αποτέλεσμα, η βαρυτική έλξη της Γης στους πόλους είναι ελαφρώς ισχυρότερη - κατά περίπου 0,4% - από ό, τι στον ισημερινό.
Όπως αποδεικνύεται, η χρονική διαστολή που οφείλεται σε ένα σημείο του ισημερινού που περιστρέφεται γύρω από τη Γη ακυρώνεται ακριβώς από την επιπλέον ποσότητα βαρυτικής χρονικής διαστολής που προκύπτει από τη διαφορά βαρύτητας στους πόλους της Γης έναντι του ισημερινού. Το να βρίσκεστε βαθύτερα σε ένα βαρυτικό πεδίο, που είναι οι πόλοι, κάνει το ρολόι σας να χτυπά πιο αργά, όπως ακριβώς κινείται πιο γρήγορα σε σχέση με έναν ακίνητο παρατηρητή.
Εάν θέλετε να λάβετε υπόψη τον ρυθμό με τον οποίο θα φαίνεται ότι συμβαίνει το πέρασμα του χρόνου για κάθε παρατηρητή, τόσο τα σχετικά φαινόμενα κίνησης της ειδικής σχετικότητας όσο και τα σχετικά αποτελέσματα της βαρύτητας - δηλαδή τη σχετική καμπυλότητα του χωροχρόνου μεταξύ πολλαπλών παρατηρητών - πρέπει να ληφθούν υπόψη.
Η διαστολή του χρόνου ήταν ένα από τα λίγα σχετικιστικά φαινόμενα που στην πραγματικότητα είχε προβλεφθεί ακόμη και πριν ο Αϊνστάιν διατυπώσει τις ιδέες της ειδικής και γενικής σχετικότητας, καθώς οι συνέπειες της κίνησης κοντά στην ταχύτητα του φωτός για αποστάσεις (συστολή μήκους) επιλύθηκαν τον 19ο αιώνα. από τους Τζορτζ Φιτζέραλντ και Χέντρικ Λόρεντς. Εάν οι αποστάσεις άλλαξαν, τότε προκειμένου να διατηρηθεί η σωστή λειτουργία της φυσικής που γνωρίζαμε για τα ηλεκτρόνια στα άτομα (όπως έδειξε ο Τζόζεφ Λάρμορ το 1897) ή για τα ρολόγια γενικά (όπως έδειξε ο Εμίλ Κον το 1904), ο ίδιος παράγοντας - ο παράγοντας Λόρεντζ (γ) - πρέπει να συνυπολογιστεί και στις χρονικές εξισώσεις.
Αν και αυτό ήταν πολύ δύσκολο να μετρηθεί αρχικά, η αυξανόμενη κατανόησή μας για τον υποατομικό κόσμο σύντομα το κατέστησε δυνατό. Στη δεκαετία του 1930, ανακαλύφθηκε το μιόνιο, ένα υποατομικό σωματίδιο που είναι το βαρύτερο, ασταθές ξάδελφο του ηλεκτρονίου.
Με μέση διάρκεια ζωής μόλις 2,2 μικροδευτερόλεπτα, τα μιόνια που παράγονται από συγκρούσεις κοσμικών ακτίνων στην ανώτερη ατμόσφαιρα της Γης θα πρέπει να διασπαστούν σε απόσταση μόλις εκατοντάδων μέτρων. Και όμως, αν απλώσετε το χέρι σας, περίπου ένα τέτοιο μιόνιο περνά μέσα από αυτό κάθε δευτερόλεπτο, υποδεικνύοντας ότι ταξίδεψαν κάπου εκάτο χιλιόμετρα: ένα κατόρθωμα που είναι φυσικά αδύνατο χωρίς διαστολή χρόνου. Μόλις αναπτύξαμε την τεχνολογία των θαλάμων σύννεφων, αυτά τα μιόνια θα μπορούσαν εύκολα να φανούν ακόμη και με γυμνό μάτι.
Άλλα πειράματα έδειξαν περαιτέρω ότι η διαστολή του χρόνου ήταν ένα πολύ πραγματικό φαινόμενο για τα υποατομικά σωματίδια.
-Το πείραμα Kennedy-Thorndike του 1932 έδειξε ότι τόσο η συστολή μήκους όσο και η χρονική διαστολή απαιτούνται για να εξηγηθεί η κίνηση του φωτός μέσω διαφορετικών κατευθύνσεων στο διάστημα. Αυτό αντιπροσώπευε μια βελτίωση σε σχέση με το προηγούμενο πείραμα Michelson-Morley, το οποίο απαιτούσε μόνο συστολή μήκους.
-Το πείραμα Ives-Stilwell μέτρησε το Φαινόμενο Ντόπλερ του φωτός και τη δοκίμασε σε σχέση με τις προβλέψεις της ειδικής σχετικότητας. ήταν η πρώτη εργαστηριακή επιβεβαίωση της διαστολής του χρόνου, που προέκυψε από θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου, και έδειξε ότι ο παράγοντας Λόρεντζ ήταν ο σωστός παράγοντας για τη διαστολή του χρόνου.
-Και το 1940, το πείραμα Rossi-Hall μέτρησε πειραματικά τη σχετικιστική διάσπαση των μιονίων στην ατμόσφαιρα, επιβεβαιώνοντας ποσοτικά τις προβλέψεις της ειδικής σχετικότητας για τη διαστολή του χρόνου.
Ωστόσο, ο αρχικός στόχος του Αϊνστάιν να χρησιμοποιήσει ρολόγια στην επιφάνεια ή κοντά στην επιφάνεια της Γης για να ελέγξει την εγκυρότητα της ειδικής σχετικότητας παρέμενε ακόμη ανεκπλήρωτος.
Η πρώτη εξέλιξη που θα έκανε δυνατή μια τέτοια δοκιμή ήταν εδώ και καιρό στα σκαριά: η εφεύρεση του ατομικού ρολογιού. Παλαιότερα, τα πιο ακριβή ρολόγια αφορούσαν είτε ρολόγια χαλαζία είτε μηχανικά ρολόγια. Ωστόσο, καθώς άλλαζε η θερμοκρασία, γίνονταν όλο και λιγότερο ακριβείς, οδηγώντας πολλούς στην αναζήτηση εναλλακτικής λύσης. Αρχικά προτάθηκε από τον Τζέιμς Κλέρκ Μαχγουέλ και αργότερα αναπτύχθηκε περαιτέρω από τον Λόρντ Κέλβιν και στη συνέχεια τον Ίσιντον Ράμπι, η ιδέα της χρήσης της συχνότητας δόνησης ενός ατόμου για να διατηρηθεί ο χρόνος ξαφνικά πήδηξε στο βασίλειο της πρακτικότητας.
Κάθε άτομο έχει μια σειρά ενεργειακών επιπέδων που τα ηλεκτρόνια του επιτρέπεται να καταλαμβάνουν: αυτά τα συγκεκριμένα επίπεδα και κανένα άλλο. Ωστόσο, λόγω των κβαντικών μηχανικών επιδράσεων - όπως οι κβαντομηχανικές σπιν των ηλεκτρονίων και των πυρήνων που αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από τα ηλεκτρόνια σε κίνηση - μερικά από αυτά τα ενεργειακά επίπεδα χωρίζονται, δημιουργώντας επίπεδα λεπτής δομής και υπερλεπτής δομής με πολύ μικρά ενεργειακές διαφορές. Όταν τα ηλεκτρόνια μεταβούν από ένα ελαφρώς υψηλότερο επίπεδο ενέργειας σε ένα ελαφρώς χαμηλότερο, θα εκπέμπουν ένα φωτόνιο πολύ συγκεκριμένης συχνότητας. Αντιστρέφοντας τη συχνότητα, μπορείτε να φτάσετε σε μια τιμή για το χρόνο, και επομένως, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε σωστά προετοιμασμένα άτομα για να διατηρήσετε το χρόνο. Αυτή είναι η ιδέα και η εφαρμογή των σύγχρονων ατομικών ρολογιών: αυτή τη στιγμή η καλύτερη συσκευή για τη μέτρηση του χρόνου που είναι γνωστή στην ανθρωπότητα.
Ωστόσο, αν θέλετε να ταξιδέψετε με υψηλές ταχύτητες προς μία μόνο κατεύθυνση και να επιστρέψετε στο σημείο εκκίνησης, συναντώντας έναν παρατηρητή που ήταν ακίνητος όλη την ώρα, υπάρχει ένας άλλος παράγοντας που προκαλεί σύγχυση: το ανώμαλο έδαφος της Γης. Πιθανότατα θα χρειαστεί να αλλάξετε υψόμετρο, και αυτό ισχύει είτε οδηγείτε είτε περπατάτε είτε πλέετε είτε πετάτε. Το πρόβλημα είναι το εξής: όταν αλλάζετε υψόμετρο, βρίσκεστε τώρα σε διαφορετική απόσταση από το κέντρο της Γης, και αυτό αλλάζει πόσο έντονα είναι καμπυλωμένο ο ιστός του διαστήματος. Καθώς η καμπυλότητα του χώρου αλλάζει, αλλάζει και η επίδραση της βαρυτικής διαστολής του χρόνου: η συνιστώσα της διαστολής του χρόνου που απαιτεί τη γενική σχετικότητα για να ληφθεί υπόψη.
Γι′ αυτό είναι τόσο σημαντικό που, το 1959, πραγματοποιήθηκε το πείραμα Pound-Rebka. Ενώ το πιο σταθερό ισότοπο του σιδήρου είναι ο σίδηρος-56, με 26 πρωτόνια και 30 νετρόνια, μπορείτε επίσης να φτιάξετε τον σίδηρο-57, με ένα επιπλέον νετρόνιο. Ανάλογα με το αν βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση ή όχι, ο σίδηρος-57 μπορεί είτε να εκπέμψει είτε να απορροφήσει ακτίνες γάμμα μιας πολύ συγκεκριμένης ενέργειας: 14.400 ηλεκτρονιοβολτ.
Στο κάτω μέρος του εργαστηρίου Τζέφερσον του Χάρβαρντ, τοποθετήθηκε ένα δείγμα σιδήρου-57 που εκπέμπει και στην κορυφή τοποθετήθηκε ένα απορροφητικό δείγμα σιδήρου-57. Καθώς οι εκπεμπόμενες ακτίνες γάμμα ανέβηκαν έξω από το βαρυτικό πεδίο της Γης, έχασαν ενέργεια και επομένως καμία από αυτές δεν απορροφήθηκε στην κορυφή του εργαστηρίου. Ωστόσο, όταν ένας κώνος ηχείου προστέθηκε στο εκπεμπόμενο δείγμα στο κάτω μέρος, τα εκπεμπόμενα φωτόνια «κλωτσήθηκαν» με μια επιπλέον ποσότητα ενέργειας. Όταν η ενέργεια ταίριαζε με την ενέργεια που χάθηκε μέσω της βαρυτικής ερυθρής μετατόπισης, τα φωτόνια απορροφήθηκαν πράγματι στην κορυφή του πύργου, αποδεικνύοντας ότι η μετατόπιση συχνότητας που παρατηρήθηκε ταίριαζε ακριβώς με αυτή που είχε προβλέψει η γενική σχετικότητα του Αϊνστάιν.
Όπως συμβαίνει συχνά, ωστόσο, χρειάστηκαν μερικά έξυπνα μυαλά για να συνδυάσουν την ιδέα για το πώς θα λειτουργούσε ένα τέτοιο πείραμα, παρόλο που η ανίχνευση ενός τόσο μικρού, ακριβούς αποτελέσματος ήταν πλέον θεωρητικά εφικτός. Ο φυσικός Τζόζεφ Χαφέλε συνειδητοποίησε ότι αν έπαιρνες ένα ατομικό ρολόι - μια από τις τότε σύγχρονες, ακριβείς εκδόσεις καισίου-133 που ήταν διαθέσιμες εκείνη την εποχή - και το έφερνες σε ένα εμπορικό αεροσκάφος που μπορούσε να πετάξει εντελώς σε όλο τον κόσμο με μία μόνο πτήση , θα μπορούσατε να ξεκαθαρίσετε και τις δύο επιπτώσεις στη χρονική διαστολή της ειδικής και της γενικής σχετικότητας.
Αφού έδωσε μια ομιλία σχετικά με την ιδέα που βρισκόταν στο κοινό ο αστρονόμος Ρίτσαρντ Κίτινγκ, ο Κίτινγκ πλησίασε τον Χαφέλε και του είπε για τη δουλειά του με τα ατομικά ρολόγια στο Ναυτικό Παρατηρητήριο των Ηνωμένων Πολιτειών. Λίγο αργότερα, η χρηματοδότηση έφτασε από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών, καθώς οι ιδέες του Χαφέλε θα αποδεικνύονταν ένα από τα πιο φθηνά τεστ σχετικότητας που έχουν γίνει ποτέ. Το 95% της χρηματοδότησης της έρευνας δαπανήθηκε για αεροπορικά εισιτήρια για τον γύρο του κόσμου: το μισό για τους επιστήμονες και το μισό για τα ατομικά ρολόγια που θα καταλάμβαναν τις θέσεις.
Αυτό που ήταν λαμπρό σε αυτή την ιδέα είναι ότι δεν ήταν απλώς, «Γεια, ας πετάξουμε αυτό το αεροπλάνο σε όλο τον κόσμο και ας δούμε αν ο χρόνος διευρύνει τον τρόπο με τον οποίο η ειδική και η γενική σχετικότητα προβλέπει ότι θα έπρεπε να κάνουν». Από μόνο του, αυτό θα ήταν απολύτως αρκετό για να δοκιμάσει άμεσα τις θεωρίες του Αϊνστάιν για τη διαστολή του χρόνου.
Αντίθετα, όμως, ο Χαφέλε και ο Κίτινγκ, τόσο μεταφορικά όσο και κυριολεκτικά, έκαναν το παραπάνω μίλι. Πρώτον, ένα ρολόι παρέμεινε στο έδαφος στην αρχική θέση, μετρώντας μακριά και κρατώντας τον χρόνο όσο το δυνατόν ακριβέστερα: σε μερικές δεκάδες νανοδευτερόλεπτα σε χρονική κλίμακα εβδομάδων.
Δεύτερον, δύο ρολόγια μεταφέρθηκαν σε μια πτήση γύρω από τον κόσμο, όπου πέταξαν σε όλο τον κόσμο με κατεύθυνση προς τα ανατολικά: την ίδια κατεύθυνση με την περιστροφή της Γης. Επειδή η κίνηση του αεροπλάνου και η περιστροφή της Γης ήταν στην ίδια κατεύθυνση, προστέθηκαν ταχύτητες, και έτσι η πρόσθετη, πιο γρήγορη κίνησή του στο διάστημα θα πρέπει να σημαίνει ότι πέρασε λιγότερος χρόνος, με τη διαστολή του χρόνου να προβλέπει απώλεια χρόνου.
Και τελικά, αυτά τα ρολόγια μεταφέρθηκαν σε μια πτήση γύρω από τον κόσμο που κινούνταν προς τα δυτικά: ενάντια στην περιστροφή της Γης. Αυτά τα αεροπλάνα πέταξαν πιο αργά από την περιστροφή της Γης, επομένως το ρολόι στο έδαφος κινήθηκε στην πραγματικότητα πιο γρήγορα από το αεροπλάνο που κινούνταν προς τα δυτικά. Η λιγότερο γρήγορη κίνηση στο διάστημα θα πρέπει να σημαίνει ότι πέρασε περισσότερος χρόνος για αυτό το ρολόι, σε σχέση με το ρολόι που κινείται προς τα ανατολικά και επίσης με το ακίνητο στο έδαφος.
Στο τέλος του πειράματος, τα αποτελέσματα αποκαλύφθηκαν και συγκρίθηκαν με τις προσδοκίες. Το ρολόι που βρισκόταν στο έδαφος όλη την ώρα θα ήταν αυτό που αντιμετωπίζεται «σε ηρεμία» και οτιδήποτε άλλο συνέβαινε θα προβλεπόταν και θα μετρήθηκε σε σχέση με αυτό το πρότυπο αναφοράς.
Αν και και τα δύο ρολόγια προορίζονταν να πετούν κατά μήκος παρόμοιων πορειών σε παρόμοια υψόμετρα, τέτοια σχέδια σπάνια είναι ρεαλιστικά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το πλήρωμα πτήσης βοήθησε στη λήψη μετρήσεων της θέσης του αεροπλάνου σε όλα τα διπλά ταξίδια του, επιτρέποντας την ποσοτικοποίηση τόσο της προβλεπόμενης διαστολής του χρόνου βαρύτητας όσο και της προβλεπόμενης διαστολής του χρόνου λόγω κίνησης.
-Για το αεροπλάνο που κινείται προς τα ανατολικά, προβλέφθηκε ότι το ρολόι θα κέρδιζε 144 νανοδευτερόλεπτα λόγω της βαρυτικής διαστολής του χρόνου, αλλά ότι 184 νανοδευτερόλεπτα θα χάνονταν λόγω της χρονικής διαστολής από την κίνησή του. Συνολικά, πρόκειται για μια προβλεπόμενη απώλεια 40 νανοδευτερόλεπτων, με αβεβαιότητα ± 23 νανοδευτερόλεπτα.
-Για το αεροπλάνο που κινείται προς τα δυτικά, το οποίο πέταξε σε συνολικό υψηλότερο ύψος, τα προβλεπόμενα 179 νανοδευτερόλεπτα θα προκύψουν από τη βαρυτική διαστολή του χρόνου. Ωστόσο, η μικρότερη κίνησή του μέσα στο διάστημα οδήγησε σε μια πρόβλεψη ενός περαιτέρω κέρδους 96 νανοδευτερόλεπτων, για ένα συνολικό προβλεπόμενο κέρδος 275 νανοδευτερόλεπτων, με αβεβαιότητα ± 21 νανοδευτερόλεπτα.
-Και τέλος, οι μετρήσεις, όπως αναφέρθηκαν για πρώτη φορά στο Science το 1972 - πριν από 50 ολόκληρα χρόνια - έδειξαν καθαρή απώλεια 59 νανοδευτερόλεπτων (με πειραματική αβεβαιότητα ± 10 νανοδευτερόλεπτα) για το αεροπλάνο που κινείται προς τα ανατολικά και καθαρό κέρδος 273 νανοδευτερόλεπτα (με πειραματική αβεβαιότητα ± 7 νανοδευτερόλεπτα) για τον κινούμενο προς τα δυτικά.
Αν και αυτό το αρχικό πείραμα επιβεβαίωσε μόνο τις προβλέψεις της ειδικής και γενικής σχετικότητας σε ποσοστό περίπου 10%, ήταν η πρώτη φορά που η χρονική διαστολή δοκιμάστηκε για μεγάλα, μακροσκοπικά αντικείμενα χρησιμοποιώντας κάτι τόσο ακριβές όσο ένα ατομικό ρολόι. Έδειξε, πειστικά, ότι οι προβλέψεις του Αϊνστάιν τόσο για τη συνιστώσα κίνησης της σχετικότητας όσο και για τη βαρυτική συνιστώσα της σχετικότητας ήταν και απαραίτητες και σωστές στην περιγραφή τους για το πώς θα έπρεπε να περάσει ο χρόνος. Αυτό, σήμερα, έχει εφαρμογές στα GPS, την παρακολούθηση των ραντάρ, την μέτρηση της διάρκειας ζωής των υποατομικών σωματιδίων και πολλά άλλα.
Σήμερα, μπορούμε να επιβεβαιώσουμε τη συνιστώσα κίνησης των διαστολών του χρόνου για ταχύτητες τόσο χαμηλές όσο αυτή ενός ποδηλάτη και για υψομετρικές διαφορές στο βαρυτικό πεδίο στην επιφάνεια της Γης που είναι τόσο μικρές όσο 0,33 μέτρα (περίπου 13 ίντσες). Η αντίληψη του Αϊνστάιν για το Σύμπαν ήταν τόσο δραματικά διαφορετική από όλα όσα προηγήθηκαν, ώστε υπήρχε τεράστια αντίσταση στις ιδέες της ειδικής και γενικής σχετικότητας και ασκούνταν επικρίσεις σε αυτό για δεκαετίες. Αλλά τελικά, είναι τα αποτελέσματα των πειραμάτων και των παρατηρήσεων, και όχι οι προκαταλήψεις μας, που αποκαλύπτουν τις τελικές αλήθειες της φύσης. Το Σύμπαν είναι πραγματικά σχετικιστικό και η μέτρηση των διαφορών στα ατομικά ρολόγια καθώς πετούσαν σε όλο τον κόσμο είναι ο τρόπος με τον οποίο το επιβεβαιώσαμε πραγματικά στην καθημερινή μας ζωή.