Tentokrát to bola časť gravitačného červeného posunu všeobecnej relativity; a prísnosť? Úžasný lepší ako jeden diel zo 100 miliónov!
Ako Steven Chu (americký minister energetiky, hoci táto práca bola vykonaná počas jeho pobytu na Kalifornskej univerzite v Berkeley), Holger Müler (Berkeley) a Achim Peters (Humboldtova univerzita v Berlíne) prekonali predchádzajúci najlepší gravitačný test redshift (v 1976, pomocou dvoch atómových hodín - jeden na povrchu Zeme a druhý poslaný do výšky 10 000 km v rakete) ohromujúcich 10 000 krát?
Využitím duality a superpozície vlnových častíc v atómovom interferometri!
O tomto čísle
: Schéma fungovania atómového interferometra. Dráhy týchto dvoch atómov sú vynesené do grafu ako funkcie času. Atómy sa zrýchľujú v dôsledku gravitácie a oscilačné čiary zobrazujú fázovú akumuláciu vln hmoty. Šípky označujú časy troch laserových impulzov. (Zdvorilosť: Príroda).
Gravitačný červený posun je nevyhnutným dôsledkom princípu ekvivalencie, ktorý je základom všeobecnej relativity. Zásada rovnocennosti uvádza, že miestne účinky gravitácie sú rovnaké ako účinky v zrýchlenom referenčnom rámci. Sila smerom dole, ktorú cíti niekto vo výťahu, tak môže byť rovnako spôsobená zrýchlením výťahu smerom nahor alebo gravitáciou. Pulzy svetla vysielané hore z hodín na podlahe výťahu budú redshiftované, keď výťah zrýchľuje smerom nahor, čo znamená, že tieto hodiny sa budú javiť pomalšie, keď sa jeho záblesky porovnajú pri strope výťahu s inými hodinami. Pretože neexistuje spôsob, ako rozoznať gravitáciu a zrýchlenie od seba, to isté platí v gravitačnom poli; inými slovami, čím väčší je gravitačný tlak hodín, alebo čím bližšie je k masívnemu telu, tým pomalšie bude tikať.
Potvrdenie tohto účinku podporuje myšlienku, že gravitácia je geometria - prejav zakrivenia časopriestoru - pretože tok času už nie je konštantný v celom vesmíre, ale líši sa podľa rozdelenia masívnych telies. Preskúmanie myšlienky časopriestoru je dôležité pri rozlišovaní medzi rôznymi teóriami kvantovej gravitácie, pretože existujú niektoré verzie teórie strún, v ktorých hmota môže reagovať na niečo iné, ako je geometria priestorupriestoru.
Gravitačný redshift, ako prejav lokálnej invariancie miest (myšlienka, že výsledok akéhokoľvek gravitačného experimentu je nezávislý od toho, kde a kedy sa vo vesmíre vykonáva), je najmenej dobre potvrdený z troch typov experimentov, ktoré podporuje zásadu rovnocennosti. Ďalšie dve - univerzálnosť voľného pádu a miestna invencia Lorentza - boli overené s presnosťou 10-13 alebo lepšie, zatiaľ čo gravitačný červený posun sa predtým potvrdil iba s presnosťou 7 × 10-5.
V roku 1997 Peters použil techniky laserového odchytu vyvinuté spoločnosťou Chu na zachytenie atómov cézia a na ich ochladenie na niekoľko milióntín stupňa K (aby sa čo najviac znížila ich rýchlosť), a potom použil vertikálny laserový lúč na vytvorenie kopu nahor. na atómy za účelom merania gravitačného voľného pádu.
Teraz Chu a Müller prehodnotili výsledky tohto experimentu, aby poskytli meranie gravitačného červeného posunu.
V experimente bol každý z atómov vystavený trom laserovým pulzom. Prvý impulz umiestnil atóm do superpozície dvoch rovnako pravdepodobných stavov - buď nechal samotný spomaliť a potom padať späť na Zem pod gravitačným ťahom, alebo dať ďalšiemu kopu tak, že dosiahol väčšiu výšku pred zostupom. Druhý impulz sa potom aplikoval v pravý okamih, aby sa atóm v druhom štáte posunul rýchlejšie späť na Zem, čo spôsobí, že sa dva stavy superpozície stretnú na ceste dole. V tomto okamihu tretí impulz meral interferenciu medzi týmito dvoma stavmi spôsobenú existenciou atómu ako vlnu, pričom sa predpokladalo, že akýkoľvek rozdiel v gravitačnom červenom posuve, aký zažívajú dva stavy existujúce v rôznych výškach nad zemským povrchom, by sa prejavil ako zmena relatívnej fázy týchto dvoch stavov.
Výhodou tohto prístupu je extrémne vysoká frekvencia Broglieho vlny atómu cézia - približne 3 × 1025Hz. Aj keď počas 0,3 s voľného pádu prežili vlny hmoty na vyššej trajektórii ubehnutý čas len 2 × 10-20s viac ako vlny na dolnej trajektórii, enormná frekvencia ich kmitania, kombinovaná so schopnosťou zmerať amplitúdové rozdiely iba jednej časti z 1000, znamenali, že vedci dokázali potvrdiť gravitačný červený posun s presnosťou 7 × 10-9.
Ako uvádza Müller: „Keby sa čas voľného pádu predĺžil na vek vesmíru - 14 miliárd rokov - časový rozdiel medzi hornou a dolnou cestou by bol iba tisícinu sekundy a presnosť merania by bola 60 ps, čas potrebný na to, aby svetlo prešlo asi centimeter. “
Müller dúfa, že ďalej zlepší presnosť merania červeného posunu zväčšením vzdialenosti medzi dvoma superpozíciami atómov cézia. Dosiahnutá vzdialenosť v súčasnom výskume bola iba 0,1 mm, ale tvrdí, že zvýšením na 1 m by malo byť možné odhaliť gravitačné vlny, predpovedané všeobecnou relativitou, ale zatiaľ nie priamo pozorované.
Zdroje: Physics World; príspevok je v čísle Príroda z 18. februára 2010
