Šį kartą tai buvo bendrojo reliatyvumo gravitacinė raudonojo poslinkio dalis; ir griežtumas? Stebina geriau nei viena dalis iš 100 milijonų!
Kaip Stevenas Chu (JAV energetikos sekretorius, nors šis darbas buvo atliktas jam būnant Kalifornijos Berklio universitete), Holgeris Müleris (Berkeley) ir Achimas Petersas (Berlyno Humboldto universitetas) įveikė ankstesnį geriausią gravitacinį raudonojo poslinkio testą ( 1976 m., Panaudodamas du atominius laikrodžius - vieną Žemės paviršiuje, o kitą raketoje išsiųstą iki 10 000 km aukščio), pritrenkiantį 10 000 kartų?
Panaudodamas bangos dalelių dvilypumą ir superpoziciją atomo interferometru!
Apie šį skaičių
: Atomo interferometro veikimo schema. Abiejų atomų trajektorijos nubraižytos kaip laiko funkcijos. Atomai dėl gravitacijos įsibėgėja, o virpesių linijos vaizduoja materijos bangų fazinį kaupimąsi. Rodyklės rodo trijų lazerio impulsų laiką. (Pagarbiai: Gamta).
Gravitacinis raudonasis poslinkis yra neišvengiama ekvivalentiškumo principo, kuriuo grindžiamas bendras reliatyvumas, pasekmė. Lygiavertiškumo principas teigia, kad sunkio jėgos lokalusis poveikis yra toks pat, koks yra pagreičio atskaitos sistemoje. Taigi žemyn nukreipta jėga, kurią kažkas jaučia lifte, taip pat gali atsirasti dėl keltuvo pagreičio į viršų arba dėl sunkio jėgos. Šviesos impulsai, siunčiami į viršų nuo keltuvo aukšte esančio laikrodžio, bus paslinkti raudonai, kai liftas įsibėgės į viršų, tai reiškia, kad šis laikrodis laikysis lėčiau, kai jo blyksniai lyginami prie lifto lubų su kitu laikrodžiu. Kadangi nėra galimybės atskirti gravitacijos ir pagreičio, tas pats pasakytina ir gravitaciniame lauke; kitaip tariant, kuo didesnis gravitacinis tempimas, kurį patiria laikrodis, arba kuo arčiau jis yra masyvus kūnas, tuo lėčiau jis tiks.
Šio efekto patvirtinimas palaiko mintį, kad gravitacija yra geometrija - erdvėlaikio kreivės apraiška -, nes laiko tėkmė nebebūna pastovi visoje visatoje, bet kinta priklausomai nuo masyvių kūnų pasiskirstymo. Ištirti erdvėlaikio kreivės idėją yra svarbu, kai reikia atskirti skirtingas kvantinės gravitacijos teorijas, nes yra keletas styginių teorijos variantų, kai materija gali reaguoti į ką nors kitą nei erdvėlaikio geometrija.
Tačiau gravitacinis raudonasis poslinkis, kaip vietos padėties invariancijos apraiška (mintis, kad bet kurio ne gravitacinio eksperimento rezultatas nepriklauso nuo to, kur ir kada visatoje jis atliekamas), yra mažiausiai gerai patvirtintas iš trijų eksperimentų tipų, kurie palaiko lygiavertiškumo principą. Kiti du - laisvo kritimo universalumas ir vietinė Lorentzo invariancija - buvo patikrinti 10 tikslumu-13 ar geriau, tuo tarpu gravitacinis raudonojo poslinkio lygis anksčiau buvo patvirtintas tik 7 × 10 tikslumu-5.
1997 m. Petersas panaudojo Chu sukurtus lazerio gaudymo spąstais metodus, kad surinktų cezio atomus ir atšaldytų juos iki kelių milijoninių K laipsnio (kad kiek įmanoma sumažintų jų greitį), ir tada panaudojo vertikalų lazerio spindulį, kad suteiktų smūgį į viršų. prie atomų, kad būtų galima išmatuoti gravitacinį laisvąjį kritimą.
Chu ir Müller iš naujo interpretavo to eksperimento rezultatus, kad galėtų įvertinti gravitacinį raudonojo poslinkio dydį.
Eksperimente kiekvienas atomas buvo veikiamas trimis lazerio impulsais. Pirmasis impulsas padėjo atomą į dviejų vienodai tikėtinų būsenų superpoziciją - arba palikdamas jį vieną, kad sulėtėtų, o po to traukdamasis atgal, kristų atgal į Žemę, arba suteikdamas jam papildomą smūgį, kad prieš nusileidžiant jis pasiektų didesnį aukštį. Tada tinkamu momentu buvo pritaikytas antrasis impulsas, kad antrojoje būsenoje esantis atomas greičiau stumtų atgal link Žemės, todėl abi superpozicinės būsenos susitiko kelyje. Šioje vietoje trečiasis impulsas išmatuojo šių dviejų būsenų trukdžius, kuriuos sukelia atomo egzistavimas bangos pavidalu. Idėja buvo ta, kad bet koks gravitacinio raudonojo poslinkio skirtumas, kurį patiria dvi būsenos, esančios skirtinguose aukščiuose virš Žemės paviršiaus, bus akivaizdus kaip pasikeitė santykinė dviejų būsenų fazė.
Šio požiūrio privalumas yra ypač aukštas cezio atomo de Broglie bangos dažnis - maždaug 3 × 1025Hz. Nors per 0,3 s laisvojo kritimo materijos bangos aukštesnėje trajektorijoje išgyveno tik 2 × 10-20Didesnis nei bangos žemutinėje trajektorijoje, milžiniškas jų virpesių dažnis kartu su galimybe išmatuoti amplitudės skirtumus tik iš vienos dalies iš 1000 reiškė, kad tyrėjai sugebėjo patvirtinti gravitacinį raudonojo poslinkio tikslumą 7 × 10-9.
Kaip teigia Miuleris: „Jei laisvės kritimo laikas būtų pratęstas iki Visatos amžiaus - 14 milijardų metų - laiko skirtumas tarp viršutinio ir apatinio maršrutų būtų tik viena tūkstantosios sekundės dalis, o matavimo tikslumas padidėtų. laikas yra 60 psl. laikas, per kurį šviesa gali judėti apie centimetrą. “
Miuleris tikisi dar labiau pagerinti raudonojo poslinkio matavimų tikslumą, padidindamas atstumą tarp dviejų cezio atomų superpozicijos būsenų. Dabartinių tyrimų metu pasiektas atstumas buvo tik 0,1 mm, tačiau, jo teigimu, padidinus jį iki 1 m, turėtų būti įmanoma aptikti gravitacines bangas, numatytas bendrojo reliatyvumo, tačiau dar tiesiogiai nepastebėtas.
Šaltiniai: Fizikos pasaulis; Straipsnis pateiktas 2010 m. vasario 18 d. leidinyje „Nature“
