Adakah Masa Berlalu Lebih Cepat di Tempat yang Lebih Tinggi?

Dalam kehidupan harian, kita menganggap satu saat di tingkat bawah sama panjang dengan satu saat di tingkat atas. Anggapan itu cukup tepat untuk jam biasa, tetapi tidak sepenuhnya tepat menurut relativiti am. Berhampiran permukaan Bumi, jam pada kedudukan yang lebih tinggi berdetik sedikit lebih cepat daripada jam yang lebih rendah apabila faktor lain dikawal. Kesan yang dinamakan pelebaran masa graviti ini bukan sekadar ramalan teori, kerana ia telah diukur menggunakan jam atom.

Jam tidak semuanya berdetik pada kadar yang sama

Jam mengukur selang masa melalui proses fizikal yang berulang. Jam bandul menggunakan ayunan mekanikal, manakala jam atom menggunakan frekuensi peralihan tenaga atom sebagai rujukan. Jam atom amat berguna untuk menguji relativiti kerana frekuensinya boleh dibandingkan dengan ketepatan yang luar biasa. Jam optik menggunakan peralihan atom pada frekuensi optik yang sangat tinggi, sehingga perbezaan kadar masa yang terlalu kecil untuk dikesan jam harian pun dapat diukur secara eksperimen. Relativiti am meramalkan bahawa dua jam pada kedudukan berbeza dalam medan graviti tidak semestinya mengumpulkan masa pada kadar yang sama.

Mengapa ketinggian memberi kesan?

Berhampiran Bumi, kedudukan yang lebih tinggi mempunyai keupayaan graviti yang lebih tinggi. Dalam penghampiran medan lemah dan bagi beza ketinggian yang kecil, perbezaan kadar jam boleh ditulis secara kasar sebagai Δf/f ≈ gΔh/c², dengan Δf/f ialah perubahan relatif frekuensi jam, g pecutan graviti setempat, Δh beza ketinggian dan c kelajuan cahaya. Hubungan ini menunjukkan bahawa kesannya sangat kecil kerana c² ialah nombor yang amat besar.

Bagi beza ketinggian 1 meter berhampiran permukaan Bumi, gΔh/c² ≈ 1.1 × 10⁻¹⁶, iaitu perbezaan kadar hanya sekitar satu bahagian dalam 10¹⁶. Namun jam optik moden cukup sensitif untuk mengesan kesan pada skala ini dan lebih kecil lagi. Persamaan tersebut ialah penghampiran medan lemah untuk beza ketinggian kecil, bukan formula universal bagi semua medan graviti.

Eksperimen setinggi kira-kira satu anak tangga

Pada 2010, penyelidik National Institute of Standards and Technology (NIST) membandingkan dua jam optik berasaskan ion aluminium. Mereka mengubah ketinggian salah satu jam sebanyak kira-kira 33 sentimeter, dan jam yang lebih tinggi didapati berdetik sedikit lebih cepat, seperti yang diramalkan relativiti am. Perbezaannya sangat kecil. NIST menganggarkan bahawa jika perbezaan kadar akibat 33 cm itu dikekalkan sepanjang hayat 79 tahun, jumlah perbezaan masa hanya sekitar 90 nanosaat. Menurut relativiti, seseorang yang berdiri di atas satu anak tangga mengalami masa berlalu pada kadar yang sedikit lebih cepat berbanding seseorang di bawahnya, tetapi perbezaan itu terlalu kecil untuk dirasai tubuh manusia.

Kini satu milimeter pun boleh dikesan

Ketepatan jam terus meningkat. Pada 2022, penyelidik JILA, institusi bersama NIST dan University of Colorado Boulder, mengukur perbezaan kadar masa antara bahagian atas dan bawah awan atom strontium yang dipisahkan hanya sekitar 1 milimeter. Eksperimen itu tidak bermaksud terdapat dua “aliran masa” yang boleh dilihat dalam makmal. Penyelidik mengukur perbezaan frekuensi atom yang sangat kecil lalu membandingkannya dengan ramalan relativiti am, dan dengan cara itu jam boleh berfungsi sebagai penderia graviti.

Adakah graviti memperlahankan mekanisme jam sahaja?

Tidak. Penerangan bahawa graviti membuat jam berjalan perlahan boleh mengelirukan jika kita membayangkan graviti merosakkan gear, bateri atau atom dalam jam. Relativiti meramalkan perbezaan masa wajar, iaitu masa yang diukur oleh jam yang mengikuti sesuatu laluan melalui ruang-masa. Jam atom digunakan kerana ia membolehkan kesan ini dibandingkan dengan sangat tepat, bukan kerana atom mempunyai kelemahan khas terhadap graviti. Jika dua proses fizikal ideal yang berfungsi sebagai jam dibandingkan dengan betul, relativiti tidak meramalkan bahawa hanya satu jenis mekanisme akan mengalami kesan tersebut.

Ketinggian bukan satu-satunya perkara yang mempengaruhi jam

Gerakan juga penting. Relativiti khas meramalkan bahawa jam yang bergerak relatif kepada pemerhati berdetik lebih perlahan dalam perbandingan yang ditakrifkan dengan sesuai. Dalam eksperimen NIST 2010 yang sama, penyelidik turut mengubah gerakan ion dan mengukur kesan pelebaran masa akibat kelajuan. Oleh itu, membandingkan jam di Bumi dengan jam pada satelit memerlukan lebih daripada kenyataan mudah bahawa satelit lebih tinggi, maka jamnya lebih cepat. Ketinggian menghasilkan kesan relativiti am, manakala gerakan satelit menghasilkan kesan relativiti khas dalam arah yang bertentangan.