Šoreiz tā bija vispārējās relativitātes gravitācijas redshift daļa; un stingrība? Pārsteidzoši labāk nekā viena daļa no 100 miljoniem!
Kā Stīvens Čū (ASV enerģētikas sekretārs, lai arī šis darbs tika veikts, kamēr viņš bija Kalifornijas Bērklija universitātē), Holgers Millers (Berklijs) un Ahims Peterss (Berlīnes Humbolta universitāte) pārspēja iepriekšējo labāko gravitācijas redshift testu ( 1976. gadā, izmantojot divus atomu pulksteņus - vienu uz Zemes virsmas, bet otru raķetē nosūta līdz 10 000 km augstumam) ar satriecošu 10 000 reižu?
Izmantojot atomu interferometra viļņu-daļiņu divdabību un superpozīciju!
Par šo skaitli
: Atomu interferometra darbības shēma. Abu laika atomu trajektorijas ir attēlotas kā laika funkcijas. Atomi gravitācijas dēļ paātrinās, un oscilatīvās līnijas attēlo matērijas viļņu fāzu uzkrāšanos. Bultiņas norāda trīs lāzera impulsu laikus. (Pieklājība: Daba).
Gravitācijas sarkanā maiņa ir ekvivalences principa neizbēgamas sekas, kas ir vispārējās relativitātes pamatā. Līdzvērtības princips nosaka, ka gravitācijas lokālā iedarbība ir tāda pati kā atrašanās paātrinātā atskaites ietvarā. Tātad lejupejošais spēks, ko jūt kāds pacēlājs, varētu būt vienlīdz saistīts ar pacēlāja paātrinājumu uz augšu vai smagumu. Gaismas impulsi, kas tiek sūtīti uz augšu no pulksteņa uz lifta grīdas, tiks atkārtoti nobīdīti, kad lifts paātrinās uz augšu, kas nozīmē, ka šis pulkstenis šķietami kutinās lēnāk, ja tā zibspuldzes tiek salīdzinātas pie lifta griestiem ar citu pulksteni. Tā kā nav iespējams nodalīt smagumu un paātrinājumu, tas pats attieksies arī uz gravitācijas lauku; citiem vārdiem sakot, jo lielāka ir gravitācijas vilkšana, ko izjūt pulkstenis, vai, jo tuvāk tas ir masīvam ķermenim, jo lēnāk tas ķeksīs.
Šī efekta apstiprināšana atbalsta domu, ka gravitācija ir ģeometrija - kosmosa laika izliekuma izpausme -, jo laika plūsma vairs nav vienmērīga visā Visumā, bet mainās atkarībā no masīvo ķermeņu sadalījuma. Kosmosa laika izliekuma idejas izpēte ir svarīga, izšķirot dažādas kvantu gravitācijas teorijas, jo ir dažas virkņu teorijas versijas, kurās matērija var reaģēt uz kaut ko citu, nevis kosmosa laika ģeometriju.
Gravitācijas sarkanais nobīde tomēr kā lokālās pozīcijas invariances izpausme (ideja, ka jebkura bez gravitācijas eksperimenta rezultāts ir neatkarīgs no tā, kur un kad Visumā tas tiek veikts) ir vismazāk labi apstiprināta no trim eksperimentu veidiem, kas atbalstīt līdzvērtības principu. Pārējie divi - brīvā kritiena universālums un vietējā Lorenca invariance - ir pārbaudīti ar precizitāti 10-13 vai labāk, tā kā gravitācijas sarkanā nobīde iepriekš tika apstiprināta tikai ar precizitāti 7 × 10-5.
1997. gadā Peters izmantoja Chu izstrādātās lāzera slazdošanas metodes, lai uztvertu cēzija atomus un atdzesētu tos līdz dažām miljondaļām K pakāpes (lai pēc iespējas samazinātu to ātrumu), un pēc tam izmantoja vertikālu lāzera staru, lai sniegtu augšupvērstu sitienu. atomiem, lai izmērītu gravitācijas brīvo kritienu.
Tagad Ču un Millers ir interpretējuši šī eksperimenta rezultātus, lai izmērītu gravitācijas sarkano nobīdi.
Eksperimentā katrs atoms tika pakļauts trim lāzera impulsiem. Pirmais impulss novietoja atomu divu vienlīdz ticamu stāvokļu superpozīcijā - vai nu atstājot to vienu, lai palēninātos, un pēc tam gravitācijas spēka ietekmē nokristu atpakaļ uz Zemi, vai arī dod tam papildu sitienu, lai tas pirms nolaišanās sasniegtu lielāku augstumu. Tad īstajā brīdī tika pielietots otrs impulss, lai otrajā stāvoklī esošais atoms varētu ātrāk virzīties pretī Zemei, izraisot divu superpozīcijas stāvokļu satikšanos ceļā uz leju. Šajā brīdī trešais impulss izmērīja traucējumus starp šiem diviem stāvokļiem, ko radīja atoma esamība kā vilnis, ar domu, ka jebkādas gravitācijas sarkanā nobīdes atšķirības, ko piedzīvo divi stāvokļi, kas pastāv atšķirīgos augstumos virs Zemes virsmas, būs acīmredzamas kā izmaiņas abu stāvokļu relatīvajā fāzē.
Šīs pieejas priekšrocība ir cēzija atoma de Broglie viļņa ārkārtīgi augstā frekvence - apmēram 3 × 1025Hz. Lai gan 0,3 s brīvas krišanas laikā matērijas viļņi uz augstākas trajektorijas bija pagājuši tikai 2 × 10-20Vairāk nekā viļņi uz apakšējās trajektorijas, milzīgā to svārstību frekvence apvienojumā ar spēju izmērīt amplitūdas atšķirības tikai vienā daļā no 1000 nozīmē, ka pētnieki spēja apstiprināt gravitācijas sarkano nobīdi ar precizitāti 7 × 10-9.
Kā izteicās Mīlers: “Ja brīvo kritienu laiks tiktu pagarināts līdz Visuma vecumam - 14 miljardiem gadu -, laika starpība starp augšējo un apakšējo ceļu būtu tikai sekundes tūkstošdaļa, un mērījuma precizitāte būtu jābūt 60 ps, laiks, kas vajadzīgs, lai gaisma nobrauktu apmēram centimetru. ”
Mīlers cer vēl vairāk uzlabot sarkanā nobīdes mērījumu precizitāti, palielinot attālumu starp diviem cēzija atomu superpozīcijas stāvokļiem. Pašreizējā pētījumā sasniegtais attālums bija tikai 0,1 mm, bet, pēc viņa teiktā, palielinot to līdz 1 m, vajadzētu būt iespējai noteikt gravitācijas viļņus, ko paredz vispārējā relativitāte, bet vēl nav tieši novērots.
Avoti: Fizikas pasaule; Šis raksts ir publicēts 2010. gada 18. februāra numurā Nature
