Tym razem była to grawitacyjna część przesunięcia ku czerwieni Ogólnej teorii względności; a surowość? Zdumiewający lepszy niż jedna część na 100 milionów!
W jaki sposób Steven Chu (Sekretarz Energii USA, choć ta praca została wykonana, gdy był na University of California Berkeley), Holger Müler (Berkeley) i Achim Peters (Uniwersytet Humboldta w Berlinie) pokonał poprzedni najlepszy test przesunięcia grawitacyjnego (w 1976, wykorzystując dwa zegary atomowe - jeden na powierzchni Ziemi, a drugi wysłany rakietą na wysokość 10 000 km) oszałamiająco 10 000 razy?
Wykorzystując dualność fali i superpozycję w interferometrze atomowym!
O tej figurze
: Schemat działania interferometru atomowego. Trajektorie dwóch atomów są wykreślane jako funkcje czasu. Atomy przyspieszają pod wpływem grawitacji, a linie oscylacyjne przedstawiają akumulację fazową fal materii. Strzałki wskazują czasy trzech impulsów laserowych. (Dzięki uprzejmości: Nature).
Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni jest nieuniknioną konsekwencją zasady równoważności leżącej u podstaw ogólnej teorii względności. Zasada równoważności mówi, że lokalne skutki grawitacji są takie same, jak w przyspieszonym układzie odniesienia. Tak więc siła opadająca odczuwana przez kogoś w windzie może być równa z powodu przyspieszenia windy w górę lub grawitacji. Impulsy światła wysyłane w górę z zegara na podłodze windy zostaną przesunięte na czerwono, gdy winda przyspiesza w górę, co oznacza, że ten zegar będzie wydawał się wolniej, gdy jego błyski zostaną porównane na suficie windy z innym zegarem. Ponieważ nie ma sposobu na odróżnienie grawitacji i przyspieszenia od siebie, to samo będzie obowiązywać w polu grawitacyjnym; innymi słowy, im większe przyciąganie grawitacyjne odczuwa zegar lub im bliżej jest do masywnego ciała, tym wolniej będzie tykało.
Potwierdzenie tego efektu potwierdza ideę, że grawitacja jest geometrią - przejawem krzywizny czasoprzestrzeni - ponieważ upływ czasu nie jest już stały w całym wszechświecie, ale zmienia się w zależności od rozkładu masywnych ciał. Odkrywanie idei krzywizny czasoprzestrzennej jest ważne przy rozróżnianiu różnych teorii grawitacji kwantowej, ponieważ istnieją pewne wersje teorii strun, w których materia może reagować na coś innego niż geometrię czasoprzestrzeni.
Grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, jednak jako przejaw niezmienności pozycji lokalnej (idea, że wynik jakiegokolwiek eksperymentu niegrawitacyjnego jest niezależny od tego, gdzie i kiedy we wszechświecie jest przeprowadzany), jest najmniej dobrze potwierdzone z trzech rodzajów eksperymentu, które popierać zasadę równoważności. Pozostałe dwa - uniwersalność swobodnego spadania i lokalna niezmienność Lorentza - zostały zweryfikowane z dokładnością do 10-13 lub lepiej, podczas gdy grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni zostało wcześniej potwierdzone tylko z dokładnością do 7 × 10-5.
W 1997 r. Peters zastosował techniki pułapkowania laserowego opracowane przez Chu do wychwytywania atomów cezu i schładzania ich do kilku milionowych stopnia K (w celu maksymalnego zmniejszenia ich prędkości), a następnie zastosował pionową wiązkę laserową do nadania kopnięcia w górę do atomów w celu pomiaru swobodnego spadania grawitacyjnego.
Teraz Chu i Müller ponownie zinterpretowali wyniki tego eksperymentu, aby uzyskać pomiar przesunięcia grawitacyjnego.
W eksperymencie każdy z atomów był poddany działaniu trzech impulsów laserowych. Pierwszy impuls umieścił atom w superpozycji dwóch równie prawdopodobnych stanów - albo zostawił go w spokoju, aby zwolnił, a następnie spadł z powrotem na Ziemię pod wpływem siły grawitacji, lub dał mu dodatkowy kopniak, aby osiągnął większą wysokość przed zejściem. Drugi impuls został następnie przyłożony w odpowiednim momencie, aby popchnąć atom w drugim stanie z powrotem szybciej w kierunku Ziemi, powodując, że dwa stany superpozycji spotykają się w drodze w dół. W tym momencie trzeci puls zmierzył interferencję między tymi dwoma stanami spowodowaną przez istnienie atomu jako falę, przy założeniu, że jakakolwiek różnica w grawitacyjnym przesunięciu ku czerwieni, której doświadczają dwa stany występujące na wysokościach różnic nad powierzchnią Ziemi, przejawia się jako zmiana we względnej fazie obu stanów.
Zaletą tego podejścia jest ekstremalnie wysoka częstotliwość fali de Broglie atomu cezu - około 3 × 1025Hz Chociaż w czasie 0,3 s swobodnego opadania fale materii na wyższej trajektorii minęły 2 × 10-20W porównaniu z falami na dolnej trajektorii, ogromna częstotliwość ich oscylacji, w połączeniu ze zdolnością do pomiaru różnic amplitud tylko jednej części na 1000, oznaczała, że badacze byli w stanie potwierdzić grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni z dokładnością 7 × 10-9.
Jak ujął to Müller: „Gdyby czas swobodnego opadania przedłużono do wieku wszechświata - 14 miliardów lat - różnica czasu między górną i dolną trasą wynosiłaby zaledwie jedną tysięczną sekundy, a dokładność pomiaru wynosić 60 ps, czas potrzebny na przebycie światła o centymetr. ”
Müller ma nadzieję na dalszą poprawę precyzji pomiarów przesunięcia ku czerwieni poprzez zwiększenie odległości między dwoma stanami superpozycji atomów cezu. Odległość osiągnięta w bieżących badaniach wynosiła zaledwie 0,1 mm, ale, jak mówi, zwiększając ją do 1 m, powinno być możliwe wykrycie fal grawitacyjnych, przewidywanych na podstawie ogólnej teorii względności, ale jeszcze nieobserwowanych bezpośrednio.
Źródła: Świat Fizyki; artykuł znajduje się w numerze Nature z 18 lutego 2010 r
