Un ceas atomic elveţian şi unul francez au fost lansate în spaţiu pentru a verifica teoria relativităţii lui Einstein

Fizicienii europeni, dar şi întreaga comunitate internaţională a oamenilor de ştiinţă, au ajuns la un moment excepţional, în care renumita teorie a relativităţii a lui Einstein va fi verificată cu o precizie extraordinară. Un ceas atomic elveţian şi unul francez au fost construite în decursul ultimilor 17 ani, au fost lansate în spaţiu pentru acest scop la 21 aprilie 2025, iar acum câteva zile a fost finalizată operaţiunea de instalare a lor pe staţia spaţială internaţională şi de pornire a lor. De rezultatele acestui proiect a depinde funcţionarea în viitor a o mulţime de sisteme spaţiale, de la sateliţi până la calcularea traiectoriilor de rachete sau asteroizi, iar formulele actuale bazate pe teoria relativităţii ar putea ori să fie confirmate, ori să necesite ajustarea.

În anul 1915, Einstein revoluţiona viziunea omenirii despre timp, care era considerat până atunci drept o unitate universală şi absolută. În teoria generală a relativităţii, Einstein a prezis că timpul nu e acelaşi peste tot şi e încetinit în vecinătatea unor obiecte mari, generatoare de gravitaţie. Exemplul său renumit era că în vârful turnului Eiffel timpul se scurge mai repede decât la baza lui, chiar dacă diferenţa e foarte mică.

Dar această diferenţă devine mai sesizabilă la distanţe mai mari de pământ, sau cel puţin asta spune teoria relativităţii. Sateliţi care orbitează la 20.400 km, spre exemplu, se confruntă cu un dublu efect al relativităţii, una specială faţă de pământ şi alta generală, din cauza depărtării faţă centru de gravitaţie, iar astfel ceasurile atomice ale acestor sateliţi sunt cu circa 40 microsecunde pe zi mai rapide decât cele de pe pământ. Această diferenţă e luată în calcul în prezent şi ţinând cont de acest corecţii sateliţii îşi ajustează timpul în comunicările lor cu sistemele de pe pământ.

Noul proiect cuprinde două ceasuri atomice de o precizie mai mare decât tot ce s-a folosit vreodată în spaţiu, acestea fiind montate pe staţia spaţială internaţională, la 400 km altitudine, şi urmând a se verifica reciproc pentru date şi mai exacte. Aceste date ar trebui să dea fizicienii cifre experimentale precise, care să confirme teoria relativităţii sau să sugereze dacă e nevoie de ajustări. Cu alte cuvinte, vom şti şi mai exact dacă timpul decurge cu adevărat mai lent la 400 km altitudine în spaţiu şi vom şti cu o precizie inedită cât de mare e această discrepanţă. Şi sunt multe vocile care spun că e foarte probabil să descoperim necesitatea unor mici corecţii, dându-se drept argumente micile erori în calcularea traiectoriilor obiectelor spaţiale, precum asteroizii, sau micile erori în calcularea multor alte elemente legate de timp, traiectorie şi viteză în spaţiu. Odată ce există acestei erori, trebuie să există şi motive pentru apariţia lor.

Primul ceas trimis acum în spaţiu e unul fabricaţi de maeştri ceasurilor, elveţienii. Doar că nu e un ceas mecanic, ci unul atomic, produs de Safran Time Technologies, în Neuchatel. Principiul lui de funcţionare e unul de maser spaţial cu hidrogen activ (SHM), care foloseşte atomii de hidrogen pentru a identifica timpul exact. Un maser e un dispozitiv care emite un fascicul de microunde, utilizat pentru a obţine frecvenţa de referinţă pentru ceasurile atomice. Acesta funcţionează într-un mod similar cu maserele pasive utilizate la bordul sateliţilor Galileo, dar este de zece ori mai stabil.

Foto: Ceasul atomic elveţian SHM

Cel de-al doilea ceas e unul francez, şi are numele de PHARAO, fiind construit de Centrul Naţional de Studii Spaţiale din Franţa (CNES). Aprobarea pentru construcţia acestui ceas datează cu anul 2008, iar testarea primelor prototipuri a avut loc în 2011. PHARAO e un ceas atomic ce funcţionează cu „atomi la rece”, folosind atomi de cesiu, care sunt răciţi cu laser până la o temperatură apropiată de zero absolut, adică -273 grade Celsius, pentru a le reduce mişcările către minim şi a le putea număra oscilările cu o precizie mult mai mare. Conform sistemului internaţional, o secundă e definită ca 9.192.631.770 oscilaţii ale atomului de cesiu.

Numărul de oscilaţii nu se schimbă la zero absolut, dar precizia măsurării poate fi una dusă până spre absolut. Acest ceas francez, în tandem cu cel elveţian, care se vor verifica reciproc, vor da o precizie nemaivăzută, prin care o deviere de o secundă ar fi posibilă la 300 milioane de ani. Tocmai această precizie va oferi acum fizicienilor şansa la o verificare a teoriei relativităţii cu o exactitate care n-a fost niciodată posibilă în practică.

Cele două ceasuri au fost integrate într-un sistem şi un corp comun, numit ACES, într-o hală a celor e la Airbus, din Friedrichshafen, Germania, în 2024, când s-au făcut şi teste cu acestea.

În martie 2025, instrumentul a părăsit Europa şi a fost transportat către SUA, în Florida, pentru a se pregăti de lansarea în spaţiu. La 21 aprilie, utilajul a pornit în călătoria sa în spaţiu, la bordul unei rachete Falcon 9 a celor de la SpaceX şi a andocat pe SSI a doua zi.

La 25 aprilie, braţul robotic canadian al Staţiei Spaţiale Internaţionale a instalat instrumentul în spaţiu, pe modulul Columbus. La 28 aprilie, sistemul ACES a fost conectat pentru prima dată, stabilind comunicaţiile cu mai multe staţii de pe pământ care vor primi date de la el. Către data de 8 mai primele teste iniţiale de funcţionalitate au fost desăvârşite, iar acum urmează o perioadă de 6 luni de testări şi pregătiri, după care va urma o perioadă neîntreruptă de 2 ani de acumulare de date exacte.

Iar atunci, după 2 ani de date acumulate cu o precizie inedită, fizicienii vor putea spune dacă teoria relativităţii a lui Einstein e complet verificată, sau dacă datele arată devieri, care impun ajustarea a o mulţime de formule fizice, iar apoi şi dispozitive, inclusiv banalele sisteme GPS de pe sute de milioane de maşini şi telefoane de pe Pământ.