Цього разу це була гравітаційна червона зміна частини загальної відносності; а суворість? Дивовижні краще, ніж «частина на 100 мільйонів»!
Як Стівен Чу (міністр енергетики США, хоча ця робота була виконана в той час, коли він перебував в Каліфорнійському університеті Берклі), Холгер Мюлер (Берклі) та Ахім Пітерс (Університет Гумбольдта в Берліні) перемогли попередній найкращий тест на гравітаційне зміщення (в 1976 р., Використовуючи два атомних годинника - один на поверхні Землі, а другий, направлений на висоту 10000 км у ракеті), приголомшивши 10 000 разів?
Шляхом експлуатованої подвійності хвиль-частинок та суперпозиції в інтерферометрі атома!
Про цю цифру
: Схематичне функціонування атомного інтерферометра. Траєкторії двох атомів побудовані як функції часу. Атоми прискорюються завдяки гравітації, а коливальні лінії зображують фазове скупчення хвиль речовини. Стрілки вказують час трьох лазерних імпульсів. (Ввічливість: Природа).
Гравітаційне червоне зміщення є неминучим наслідком принципу еквівалентності, що лежить в основі загальної відносності. Принцип еквівалентності стверджує, що місцеві ефекти сили тяжіння такі ж, як і у прискореної системи відліку. Таким чином, сила, що відчувається кимось у підйомнику, може бути однаковою мірою прискоренням підйому або силою тяжіння. Імпульси світла, що надсилаються вгору від годинника на підйомній підлозі, будуть змінені повторно, коли ліфт прискорюється вгору, тобто цей годинник буде здаватися галочкою повільніше, коли його спалахи порівнюватимуться на стелі підйомника до іншого годинника. Оскільки немає можливості розрізнити гравітацію та прискорення окремо, те саме буде мати місце і в гравітаційному полі; Іншими словами, чим більше гравітаційний потяг, який відчуває годинник, або чим ближче він до масивного тіла, тим повільніше він буде тикати.
Підтвердження цього ефекту підтримує думку про те, що гравітація - це геометрія - прояв кривизни простору та часу, тому що потік часу вже не є постійним у всій Всесвіті, а змінюється залежно від розподілу масивних тіл. Дослідження ідеї кривизни простору є важливим при розмежуванні різних теорій квантової гравітації, оскільки є деякі версії теорії струн, в яких матерія може відповісти на щось інше, ніж геометрію простору-часу.
Однак гравітаційне червоне зміщення як прояв локальної інваріантності положення (ідея про те, що результат будь-якого негравітаційного експерименту не залежить від того, де і коли у Всесвіті він проводиться) є найменш підтвердженим із трьох типів експерименту, які підтримують принцип еквівалентності. Інші два - універсальність вільного падіння та локальна інваріантність Лоренца - були перевірені з точністю 10-13 або краще, тоді як гравітаційне червоне зміщення раніше було підтверджене лише з точністю до 7 × 10-5.
У 1997 р. Пітерс застосував лазерні методи лову, розроблені Чу, щоб захопити атоми цезію і охолодити їх до кількох мільйонів градусів К (щоб максимально зменшити їх швидкість), а потім застосував вертикальний лазерний промінь для надання удару вгору до атомів, щоб виміряти гравітаційне вільне падіння.
Тепер Чу і Мюллер повторно інтерпретували результати цього експерименту, щоб дати вимірювання гравітаційного червоного зміщення.
В експерименті кожен з атомів піддавався трьом лазерним імпульсам. Перший імпульс помістив атом у суперпозицію з двох однаково вірогідних станів - або залишити його в спокої, а потім впасти назад на Землю під тяжкою силою тяжіння, або дати йому додатковий удар, щоб він досяг більшої висоти перед спуском. Потім в потрібний момент застосували другий імпульс, щоб швидше відштовхнути атом у напрямку до Землі, внаслідок чого два стани суперпозиції зібралися на шляху вниз. У цей момент третім імпульсом було виміряно втручання між цими двома станами, викликане існуванням атома як хвилі, ідея полягала в тому, що будь-яка різниця в гравітаційному червоному зміщенні, що переживається двома станами, що існують на різницькій висоті над поверхнею Землі, буде проявлятися як зміна відносної фази двох станів.
Гідність цього підходу - надзвичайно висока частота хвилі атома цезію де Бройля - близько 3 × 1025Гц. Хоча під час вільного падіння 0,3 с матерія хвилі на більш високій траєкторії випробовували час, що склав лише 2 × 10-20s більше, ніж це робило хвиль на нижній траєкторії, величезна частота їх коливань у поєднанні з можливістю вимірювати різницю амплітуди лише однієї частини на 1000 означала, що дослідники змогли підтвердити гравітаційне червоне зміщення з точністю до 7 × 10-9.
Як стверджує Мюллер, "Якби час вільного падіння було продовжено до віку Всесвіту - 14 мільярдів років - різниця в часі між верхнім і нижнім маршрутами становила б лише одну тисячну частину секунди, і точність вимірювання була б бути 60 пс, час, необхідний для того, щоб світло подорожував приблизно сантиметр. "
Мюллер сподівається в подальшому поліпшити точність вимірювань червоного зміщення за рахунок збільшення відстані між двома станами суперпозиції атомів цезію. Відстань, досягнута в нинішньому дослідженні, становила всього 0,1 мм, але, за його словами, при збільшенні до 1 м слід виявити гравітаційні хвилі, передбачені загальною відносністю, але ще безпосередньо не спостерігаються.
Джерела: Фізичний світ; стаття знаходиться у випуску «Природа» від 18 лютого 2010 року
