Пожалуй, никто не пришел бы спонтанно к мысли измерить высоту горы с помощью часов. Да, конечно, многим известен этот опыт из курса школьной физики за девятый класс, когда кто-то с помощью хронометра определяет высоту здания по результатам времени падения брошенного с крыши камешка. В горах же такой способ, как правило, не проходит. Да и что может предпринять, скажем, опытный геодезист, которого интересует, скажем, вопрос, на какой высоте в скале следует начать вырубку штольни или туннеля?
Разумеется, часы в современном ориентировании ужа давно играют очень большую роль, хотя бы даже потому, что они являются неотъемлемой частью навигационных спутников. И вот теперь ученые объявили о премьере мобильной, основанной на времени геодезии: с помощью атомных часов они определили, в скольких метрах над равниной проходит туннель в одной из гор в Южной Франции.
Часы в горах идут быстрее
Измерение основывается на феномене, предсказанном Албертом Эйнштейном в теории относительности: для отдаленного наблюдателя часы идут несколько медленнее, чем часы, находящиеся ближе к большой массе. Эксперты называют это «гравитативным замедлением течения времени».
Наиболее наглядно и впечатляюще, пожалуй, этот феномен изображен в голливудском блокбастере «Интерстеллар», где астронавты садятся на планету, движущуюся вблизи горизонта событий черной дыры. И в то время как все события для высадившихся на планету укладываются всего в несколько часов, для их коллег, оставшихся на борту космического корабля, продолжавшего вращаться вдалеке от сверхмассивного монстра, минуло более 20 лет.
Хотя эффект никак не укладывается в человеческое сознание, физически он вполне объясним. В конце концов, его можно вычислить и на Земле, пусть этот эффект здесь несравнимо меньший, чем на орбите космического кладбища материи. Об этом не в последнюю очередь свидетельствует исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Nature Physics. В статье физики группы Кристиана Лисдата из Федерального физико-технического учреждения (РТВ) в Брауншвайге(Германия) показали, что время во французских Альпах течет чуть-чуть быстрее, чем на соседней равнине.
Для своего опыта исследователи воспользовались оптическими атомными часами, работающими на стронции. Сверхвысокоточное устройство измеряет время, используя для этого подсчет, как часто электрон перескакивает вперед и назад в оболочке атомов. В лаборатории, расположенной прямо на высоте уровня моря, это происходит точно 429 228 004 229 873,4 раза в секунду. На высоте в 1000 метров над уровнем моря, где сила тяжести несколько ниже, чем в более приближенной к центру Земли точке, время протекает чуть-чуть быстрее. Вследствие этого, электрон за время, равное на отметке уровня моря одной секунде, выполняет на 48 прыжков больше. Такие результаты ученые получили, проведя измерения в южнофранцузском туннеле Мон-Сенис и сравнив их с часами на равнине. При этом оба устройства хронометража были соединены друг с другом с помощью оптоволоконного кабеля.
Этим экспериментов ученые, наряду с прочим, доказали, что оптические атомные часы могут использоваться и в мобильном варианте. Ведь до сих пор подобные измерения можно было проводить исключительно в стационарных лабораториях. Для проведения полевого эксперимента стронциевые часы были смонтированы на автомобильном прицепе, после чего они были доставлены в туннель во французских Альпах. Правда, точность такого метода измерения пока что считается меньшей, чем стандартные методы геодезии. Но в будущем таким образом, вероятно, можно будет измерять и перепады высот в десять сантиметров, что будет очень интересно для применения в труднодоступных регионах. Во всяком случае, на это очень надеются исследователи.