Seekord oli see üldise relatiivsuse gravitatsiooniline punanihke osa; ja rangus? Üllatav, parem kui üks-100-miljon!
Kuidas Steven Chu (USA energeetikasekretär, ehkki seda tööd tehti Californias Berkeley ülikoolis viibimise ajal), Holger Müler (Berkeley) ja Achim Peters (Berliini Humboldti ülikool) ületasid eelmist parimat gravitatsioonilise punanihke testi (aastal 1976, kasutades kahte aatomkella - üks Maa pinnal ja teine raketiga 10 000 km kõrgusele) 10 000 korda vapustavalt?
Kasutades laineosakeste kahesust ja superpositsiooni aatomi interferomeetris!
Selle näitaja kohta
: Aatomi interferomeetri töö skeem. Kahe aatomi trajektoorid on kujutatud aja funktsioonina. Aatomid kiirenevad gravitatsiooni mõjul ja võnkuvad jooned kujutavad mateerialainete faasakumuleerumist. Nooled tähistavad kolme laserimpulsi aegu. (Viisakus: loodus).
Gravitatsiooniline punanihk on üldrelatiivsuse aluseks oleva ekvivalentsuspõhimõtte vältimatu tagajärg. Samaväärsuspõhimõtte kohaselt on gravitatsiooni lokaalsed mõjud samad, mis kiirendatud tugiraamistikus. Nii et allapoole suunatud jõud, mida keegi liftis tunneb, võib olla tingitud ka tõstuki kiirendusest ülespoole või raskusjõust. Lifti põrandal asuvast kellast ülespoole suunatud valguse impulsse nihutatakse punaselt, kui lift tõuseb ülespoole, mis tähendab, et see kell tiksub aeglasemalt, kui selle välku võrreldakse lifti laes mõne teise kellaga. Kuna gravitatsiooni ja kiirendust pole võimalik lahus hoida, kehtib sama ka gravitatsiooniväljas; teisisõnu: mida suurem on kella gravitatsiooniline tõmme või mida lähemal on massiivne keha, seda aeglasemalt see tiksub.
Selle efekti kinnitamine toetab ideed, et gravitatsioon on geomeetria - kosmoseaja kumeruse ilming - kuna ajavoog pole enam kogu universumis konstantne, vaid varieerub vastavalt massiivsete kehade jaotusele. Ruumiaja kumeruse idee uurimine on oluline kvantgravitatsiooni erinevate teooriate eristamisel, kuna on olemas mõned stringiteooria versioonid, milles mateeria võib reageerida millelegi muule kui kosmoseaja geomeetriale.
Gravitatsiooniline punanihk kui lokaalse positsiooni invariantsuse väljendus (idee, et iga mittegravitatsioonilise katse tulemus ei sõltu sellest, kus ja millal universumis seda tehakse), on kolmest katsetüübist kõige vähem kinnitust leidnud: toetage samaväärsuse põhimõtet. Kaks ülejäänud - vabalangemise universaalsus ja kohalik Lorentzi invariants - on kinnitatud täpsusega 10-13 või parem, kuna gravitatsiooniline punane nihe oli varem kinnitatud ainult täpsusega 7 × 10-5.
1997. aastal kasutas Peters tseesiumiaatomite hõivamiseks ja jahutamiseks tseesiumiaatomite jahutamiseks mõne miljondik-kraadise kraadini (et nende kiirust nii palju kui võimalik) jahutada ja Chu välja töötatud laserlõksutamistehnikaid kasutas ning seejärel ülespoole suunatud löögi saamiseks vertikaalset laserkiirt. aatomite juurde gravitatsioonilise vabalanguse mõõtmiseks.
Nüüd on Chu ja Müller selle eksperimendi tulemusi uuesti tõlgendanud, et mõõta gravitatsiooni punast nihet.
Katse käigus eksponeeriti kõiki aatomeid kolme laserimpulsiga. Esimene impulss asetas aatomi kahe võrdselt tõenäolise oleku superpositsioonile - kas jättes selle üksi aeglustamiseks ja langedes seejärel gravitatsiooni tõmbe mõjul tagasi Maale, või andes sellele täiendava löögi, nii et see jõudis enne laskumist suuremale kõrgusele. Seejärel rakendati õigel hetkel teine impulss, et lükata teises olekus olev aatom kiiremini tagasi Maa poole, põhjustades kahe ülipositsiooni oleku kokkulangemise teel. Sel hetkel mõõtis kolmas impulss nende kahe oleku vahelist häiret, mille aatomi olemasolu tekitas lainetena, idee seisnes selles, et kõik erinevused gravitatsioonilises punanihkes, mida kogevad kaks maapinnast erinevatel kõrgustel asuvat olekut, ilmnevad järgmiselt: kahe riigi suhtelise faasi muutus.
Selle lähenemisviisi eeliseks on tseesiumiaatomi de Broglie laine äärmiselt kõrge sagedus - umbes 3 × 1025Hz. Ehkki 0,3 sekundi pikkuse vabalangemise ajal oli laine kõrgemal trajektooril möödas vaid 2 × 10-20Kui alumisel trajektooril oli laineid rohkem, tähendas nende võnkumiste tohutu sagedus koos võimega mõõta amplituudierinevusi vaid ühe osaga 1000-st, mis võimaldas teadlastel kinnitada gravitatsioonilise punanihke täpsusega 7 × 10-9.
Nagu ütles Müller: “Kui vabalangemise aega pikendataks universumi vanuseni - 14 miljardit aastat -, oleks ülemine ja alumine marsruutide vahe vaid sekundi tuhandik ja mõõtmise täpsus olema 60 ps, aeg, mis kulub valguse sentimeetri läbimiseks. ”
Müller loodab punanihke mõõtmiste täpsust veelgi parandada, suurendades tseesiumiaatomite kahe superpositsiooni vahelist kaugust. Praeguses uuringus saavutatud kaugus oli kõigest 0,1 mm, kuid tema sõnul peaks selle suurendamisel 1 meetrini olema võimalik tuvastada gravitatsioonilisi laineid, mida ennustab üldrelatiivsus, kuid mida pole veel otseselt täheldatud.
Allikad: füüsikailm; see artikkel on ajakirja Loodus 18. veebruari 2010. aasta numbris
