Zegary atomowe stały się czujnikami grawitacji i zmierzyły efekt wywoływany przez Księżyc i Słońce. W przyszłości mogą pomóc badać wulkany.
Czas nie płynie jednakowo we wszystkich miejscach na Ziemi. Co więcej, tempo jego upływu nieznacznie zmienia się choćby wtedy, gdy zegar pozostaje nieruchomy. Europejscy naukowcy połączyli jedne z najdokładniejszych zegarów atomowych na świecie i zarejestrowali niezwykle subtelny efekt wywoływany przez grawitację Księżyca i Słońca.
Po raz pierwszy udało się tak precyzyjnie obserwować, jak w czasie zmieniają się różnice w tempie pracy odległych zegarów optycznych powiązane z pływami grawitacyjnymi. Z wyników wynika, iż zegary mogą kiedyś służyć nie tylko do odmierzania czasu, ale też do badania wnętrza Ziemi, ruchów mas wody, a choćby procesów w rejonach aktywnych wulkanów.
Zegary oddalone o 800 km wykryły, iż czas płynie inaczej
Międzynarodowy zespół naukowców wykorzystał europejską sieć optycznych zegarów atomowych połączonych specjalnymi łączami światłowodowymi. W eksperymencie uczestniczyły laboratoria w niemieckim Brunszwiku, brytyjskim Teddington i włoskim Turynie, a infrastruktura we Francji umożliwiała przesyłanie niezwykle stabilnych sygnałów pomiędzy ośrodkami.
Badacze porównywali wskazania zegarów oddalonych od siebie o około 740 i 840 km. Jednym z wykorzystanych urządzeń był przenośny zegar optyczny PTB-Sr4, przewieziony z Niemiec do Włoch. Pozostałe pomiary wykonywano przy użyciu stacjonarnych instalacji laboratoryjnych. Wyniki pochodziły z kampanii pomiarowych przeprowadzonych w 2023 i 2025 r.
Jak opisano w badaniu opublikowanym na arXiv, naukowcy zdołali wykryć zmiany względnego tempa pracy zegarów na poziomie kilku części na trylion. To różnice tak niewielkie, iż pozostają całkowicie niezauważalne dla człowieka i zwykłych urządzeń elektronicznych.
Najciekawsze jest to, iż te zmiany nie działy się przypadkowo. Szły w rytmie pływów grawitacyjnych wywoływanych przez Księżyc i Słońce. Do rozpoznania sygnału zgodnego z tym, co przewidują modele geofizyczne, wystarczył jeden dzień pomiarów.
Księżyc i Słońce zmieniają tempo upływu czasu
Zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina grawitacja wpływa na tempo odmierzania czasu. Zegar znajdujący się wyżej, gdzie ziemski potencjał grawitacyjny jest większy, pracuje nieznacznie szybciej niż identyczne urządzenie położone bliżej środka planety. Różnica wysokości wynosząca zaledwie 1 m powoduje zmianę względnego tempa pracy zegara o około jedną część na 10 biliardów.
Na Spider’s Web opisywaliśmy już zegary atomowe zdolne do wykrywania relatywistycznych efektów w skali mikroskopowej. Dotychczasowe eksperymenty koncentrowały się jednak przede wszystkim na stałych różnicach potencjału grawitacyjnego pomiędzy dwoma miejscami.
Nowe badanie pokazuje jednak coś więcej. Potencjał grawitacyjny nie jest stały, bo Ziemia cały czas pozostaje pod wpływem Księżyca i Słońca. Te same oddziaływania, które odpowiadają za pływy oceaniczne, powodują też niewielkie odkształcenia stałej powierzchni planety i przemieszczanie się mas.
W efekcie choćby nieruchomy zegar doświadcza drobnych, okresowych zmian warunków grawitacyjnych. Badacze wykryli odpowiadające im wahania o częstotliwościach związanych z cyklem dobowym i półdobowym. Ich skala była porównywalna z efektem relatywistycznym wywołanym zmianą wysokości o około 10 cm.
Nie chodzi jednak o to, iż zegary nagle zaczęły się spóźniać albo spieszyć tak, żeby było to widać na cyferblacie. Chodzi o minimalne różnice w częstotliwości pracy, które można było wychwycić tylko dzięki wyjątkowo precyzyjnym pomiarom.
Europejczycy zbudowali sieć do mierzenia grawitacji
Kluczem do sukcesu okazało się połączenie zegarów dzięki stabilizowanych łączy światłowodowych. Pozwalają one porównywać częstotliwości urządzeń znajdujących się setki kilometrów od siebie bez wprowadzania zakłóceń większych od poszukiwanego sygnału.
Naukowcy wykorzystali również zaawansowaną analizę statystyczną, która pozwoliła oddzielić rzeczywiste zmiany wywołane pływami od szumu pomiarowego. Zarejestrowane wahania odpowiadały przewidywaniom nie tylko pod względem amplitudy, ale także czasu ich występowania.
Co ciekawe, europejska infrastruktura wykorzystywana do takich pomiarów obejmuje coraz więcej państw, w tym Polskę. Autorzy nowego badania wskazują, iż sieć została niedawno rozszerzona do Torunia. Pozwoliło to zwiększyć maksymalną różnicę długości geograficznej pomiędzy dostępnymi stacjami z 11 do około 19 stopni.
Polscy naukowcy mają już doświadczenie w podobnych przedsięwzięciach. W lipcu 2025 r. pisaliśmy o połączeniu Polski i Niemiec światłowodową infrastrukturą do porównywania zegarów atomowych. Powstałe wówczas połączenie Pathfinder umożliwiło niezwykle precyzyjne przesyłanie sygnałów czasu i częstotliwości między instytucjami w obu krajach.
Z kolei naukowcy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu rozwijają własne optyczne zegary atomowe w ramach Polskiego Optycznego Zegara Atomowego POZA. Rozbudowa europejskiej sieci otwiera kolejne możliwości międzynarodowych porównań, choć polski węzeł nie uczestniczył w dwóch głównych pomiarach opisanych w najnowszym badaniu.
Zegary mogą kiedyś ostrzegać przed zmianami pod powierzchnią Ziemi
Najważniejszą konsekwencją odkrycia jest możliwość wykorzystania zegarów jako wyjątkowo czułych czujników grawitacji. Dotychczas naukowcy badali zmiany pola grawitacyjnego przede wszystkim dzięki satelitów, grawimetrów oraz pomiarów geodezyjnych. Sieć zegarów optycznych mogłaby dostarczać dodatkowych informacji o tych samych procesach.
Przemieszczanie się ogromnych mas wody, topnienie lodowców czy zmiany zachodzące pod powierzchnią Ziemi wpływają na lokalny potencjał grawitacyjny. Teoretycznie można więc monitorować takie zjawiska, obserwując subtelne zmiany tempa pracy zegarów rozmieszczonych w różnych miejscach.
Szczególnie interesujące są rejony aktywne wulkanicznie. Przemieszczanie się magmy może zmieniać rozkład mas we wnętrzu Ziemi, a tym samym wpływać na pole grawitacyjne. Odpowiednio rozwinięta sieć zegarów mogłaby w przyszłości uzupełniać tradycyjne systemy monitorowania takich procesów.
Nie oznacza to jednak, iż europejskie zegary już potrafią przewidywać erupcje wulkanów. W najnowszym eksperymencie wykryto znane i przewidywalne zmiany powodowane przez pływy. Dalsze zastosowania wymagają zwiększenia stabilności urządzeń, ich dostępności oraz rozbudowy sieci pomiarowej.
Badacze podkreślają również, iż samo uwzględnianie zmiennego tempa upływu czasu staje się konieczne przy coraz dokładniejszych porównaniach zegarów. Efekt, który jeszcze niedawno można było pominąć, dziś jest już na tyle duży w stosunku do dokładności aparatury, iż trzeba go uwzględniać w obliczeniach.
*Źródło grafiki wprowadzającej: alexroz, Canva Pro / AI
