Tokrat je šlo za gravitacijski rdeči premik Splošne relativnosti; in strogost? Presenetljivo boljši kot en-del-v-100 milijonov!
Kako so Steven Chu (ameriški minister za energetiko, čeprav je bilo to delo opravljeno, ko je bil na kalifornijski univerzi Berkeley), Holger Müler (Berkeley) in Achim Peters (univerza Humboldt v Berlinu) premagali prejšnji najboljši test gravitacijskega prestavljanja (v 1976, z dvema atomskima urama - ena na površini Zemlje in druga z raketo na višino 10.000 km) z vrtoglavih 10.000-krat?
Z izkoriščeno dvojnostjo valovnih delcev in superpozicijo znotraj atomskega interferometra!
O tej številki
: Shema delovanja interferometra atoma. Usmeritve obeh atomov so prikazane kot funkcije časa. Atomi se pospešujejo zaradi gravitacije in nihajne črte prikazujejo fazno kopičenje snovi valov. Puščice kažejo čase treh laserskih impulzov. (Vljudnost: Narava).
Gravitacijski rdeči premik je neizogibna posledica načela enakovrednosti, ki je podlaga splošne relativnosti. Načelo enakovrednosti pravi, da so lokalni učinki gravitacije enaki učinkom v pospešenem referenčnem okviru. Sila navzdol, ki jo občuti nekdo v dvigalu, bi lahko bila enaka zaradi pospeška dvigala ali zaradi težnosti. Svetlobni impulzi, poslani navzgor od ure na tleh dvigala, se bodo premikali, ko se dvigalo pospeši navzgor. Ker gravitacije in pospeška ni mogoče razločiti narazen, bo to enako tudi v gravitacijskem polju; z drugimi besedami, večji kot je gravitacijski poteg, ki ga doživi ura, ali bližje kot je masivnemu telesu, počasneje se bo tikalo.
Potrditev tega učinka podpira idejo, da je gravitacija geometrija - manifestacija ukrivljenosti v vesolju -, ker tok časa ni več konstanten po vesolju, ampak se spreminja glede na porazdelitev masivnih teles. Raziskovanje ideje o krivulji vesolja je pomembno pri razlikovanju med različnimi teorijami kvantne gravitacije, saj obstaja nekaj različic teorije strun, v katerih se lahko materija odzove na nekaj drugega kot na geometrijo vesolja.
Gravitacijski rdeči premik pa je kot manifestacija lokalne pozicijske invariance (ideja, da je izid katerega koli ne gravitacijskega eksperimenta neodvisen od tega, kje in kdaj se v vesolju izvaja), najmanj potrjena od treh vrst eksperimenta, podpira načelo enakovrednosti. Druga dva - univerzalnost padca in lokalna Lorentzova invariance - sta bila preverjena z natančnostjo 10-13 ali bolje, ker je bilo predhodno potrjeno gravitacijsko rdeče premikanje le z natančnostjo 7 × 10-5.
Leta 1997 je Peters uporabil lasersko lovilno tehniko, ki jo je razvil Chu, da je zajel atome cezija in jih ohladil do nekaj milijonov stopinj K (da bi čim bolj zmanjšal njihovo hitrost), nato pa uporabil navpični laserski žarek za prenos udarca navzgor na atome, da bi izmerili gravitacijski propad.
Zdaj sta Chu in Müller ponovno interpretirala rezultate tega poskusa, da sta merila gravitacijski rdeči premik.
V poskusu je bil vsak izmed atomov izpostavljen trem laserskim impulzom. Prvi impulz je atom postavil v superpozicijo dveh enako verjetnih stanj - bodisi ga pustimo pri miru in nato padel nazaj na Zemljo pod težo gravitacije ali pa mu dal dodaten udarec, tako da je dosegel večjo višino, preden se spusti. Drugi impulz je bil nato uporabljen ravno v pravem trenutku, da bi atom v drugem stanju hitreje potisnil nazaj proti Zemlji, zaradi česar sta se dve superpozicijski državi srečali na poti navzdol. Na tej točki je tretji impulz izmeril interferenco med tema dvema državama, ki jo je obstoj atoma povzročil kot val, pri čemer je bila ideja, da bi se vsaka razlika v gravitacijskem rdečem premiku, ki sta jo doživeli dve državi, ki obstajata na različno višini nad zemeljsko površino, manifestirala kot sprememba relativne faze obeh stanj.
Vrlina tega pristopa je izjemno visoka frekvenca cezijevega atoma de Brogliejevega vala - približno 3 × 1025Hz Čeprav je med 0,3 s prostega pada snovi mahalo na višji poti, je pretekel čas le 2 × 10-20s več kot valovi na spodnji poti, je ogromna frekvenca njihovega nihanja, skupaj z zmožnostjo merjenja amplitudnih razlik le enega dela v 1000, pomenila, da so raziskovalci lahko potrdili gravitacijski premik z natančnostjo 7 × 10-9.
Kot trdi Müller, "če bi čas propada podaljšal na starost vesolja - 14 milijard let -, bi bila časovna razlika med zgornjo in spodnjo potjo le tisočina sekunde, natančnost meritve pa bi naj bo 60 ps, čas, ki traja, da svetloba potuje približno centimeter. "
Müller upa, da bo še izboljšal natančnost meritev rdečega premika s povečanjem razdalje med dvema superpozicijskima stazijama cezijevih atomov. Razdalja, dosežena v sedanjih raziskavah, je znašala le 0,1 mm, vendar bi bilo po njegovem mnenju s povečanjem na 1 m mogoče zaznati gravitacijske valove, predvidene s splošno relativnostjo, vendar jih še nismo neposredno opazili.
Viri: Svet fizike; prispevek je v naravi 18. februarja 2010
