Tentokrát to byla gravitační redshiftová část General Relativity; a přísnost? Úžasný lepší než jeden díl ze 100 milionů!
Jak Steven Chu (americký ministr energetiky, ačkoli tato práce byla hotová, když byl na Kalifornské univerzitě v Berkeley), Holger Müler (Berkeley) a Achim Peters (Humboldtova univerzita v Berlíně) porazili předchozí nejlepší gravitační test redshift (v 1976, pomocí dvou atomových hodin - jeden na povrchu Země a druhý poslaný do výšky 10 000 km v raketě) ohromujících 10 000krát?
Využíváním duality a superpozice vlnových částic v atomovém interferometru!
O tomto čísle
: Schéma fungování atomového interferometru. Trajektorie dvou atomů jsou vykresleny jako funkce času. Atomy se zrychlují kvůli gravitaci a oscilační čáry znázorňují fázovou akumulaci vln hmoty. Šipky označují časy tří laserových pulzů. (Zdvořilost: Příroda).
Gravitační redshift je nevyhnutelným důsledkem principu ekvivalence, který je základem obecné relativity. Zásada rovnocennosti uvádí, že místní účinky gravitace jsou stejné jako účinky ve zrychleném referenčním rámci. Síla směrem dolů, kterou cítí někdo ve výtahu, může být stejně způsobena zrychlením výtahu směrem nahoru nebo gravitací. Pulsování světla vysílaného nahoru z hodin na podlaze výtahu bude červené, když se výtah zrychluje směrem nahoru, což znamená, že tyto hodiny se budou jevit pomaleji, když jsou jeho záblesky porovnány na stropě výtahu s jinými hodinami. Protože neexistuje způsob, jak rozeznat gravitaci a zrychlení odděleně, to samé platí v gravitačním poli; jinými slovy, čím větší je gravitační tah hodin, nebo čím blíže je k masivnímu tělu, tím pomaleji bude tikat.
Potvrzení tohoto účinku podporuje myšlenku, že gravitace je geometrie - projev křivosti časoprostoru - protože tok času již není ve vesmíru konstantní, ale mění se podle rozdělení masivních těl. Zkoumání myšlenky zakřivení spacetime je důležité při rozlišování mezi různými teoriemi kvantové gravitace, protože existují některé verze teorie řetězců, ve kterých hmota může reagovat na něco jiného než geometrie spacetime.
Gravitační redshift, nicméně, jako projev lokální invariance polohy (myšlenka, že výsledek nějakého nongravitačního experimentu je nezávislý na tom kde a kdy ve vesmíru to je uskutečněno) je nejméně dobře potvrzený ze tří typů experimentu, který podporovat zásadu rovnocennosti. Další dva - univerzálnost volného pádu a místní Lorentzova invariance - byly ověřeny s přesností 10-13 nebo lepší, zatímco gravitační červený posun byl dříve potvrzen pouze s přesností 7 × 10-5.
V roce 1997 Peters použil techniky laserového odchytu, které vyvinula Chu, k zachycení atomů cesia a jejich ochlazení na několik milióntin stupně K (aby se co nejvíce snížila jejich rychlost), a pak použil svislý laserový paprsek, aby udělil vzestupný kop k atomům za účelem měření gravitačního volného pádu.
Nyní Chu a Müller znovu interpretovali výsledky tohoto experimentu, aby změřili gravitační červený posun.
V experimentu byl každý z atomů vystaven třem laserovým pulzům. První puls umístil atom do superpozice dvou stejně pravděpodobných stavů - buď nechal samotný, aby zpomalil, a poté spadl zpět na Zemi pod gravitačním tahem, nebo mu dal další kop, takže dosáhl větší výšky před sestupem. Druhý impulz byl poté aplikován ve správný okamžik, aby se atom ve druhém stavu posunul rychleji zpět na Zemi, což způsobilo, že se oba stavy superpozice setkaly na cestě dolů. V tomto okamžiku třetí puls měřil interferenci mezi těmito dvěma stavy způsobenou existencí atomu jako vlnu, přičemž myšlenka byla taková, že jakýkoli rozdíl v gravitačním červeném posuvu, jaký zažívají dva stavy existující v různých výškách nad zemským povrchem, by se projevil jako změna relativní fáze obou stavů.
Výhodou tohoto přístupu je extrémně vysoká frekvence de Broglieho vlny atomu cesia - přibližně 3 × 1025Hz. Přestože během 0,3 s volného pádu došlo k vlnám hmoty na vyšší trajektorii, uplynula doba pouhých 2 × 10-20s více než vlny na spodní trajektorii, obrovská frekvence jejich oscilace, kombinovaná se schopností měřit amplitudové rozdíly jen jedné části z 1000, znamenala, že vědci dokázali potvrdit gravitační červený posun s přesností 7 × 10-9.
Jak uvádí Müller: „Pokud by se doba volného pádu prodloužila na věk vesmíru - 14 miliard let - časový rozdíl mezi horní a dolní cestou by byl pouhou tisícinou sekundy a přesnost měření by byla 60 psů, doba potřebná k tomu, aby světlo cestovalo asi centimetr. “
Müller doufá, že dále zlepší přesnost měření červeného posunu zvětšením vzdálenosti mezi dvěma superpozičními stavy atomů cesia. Vzdálenost dosažená v současném výzkumu byla pouhá 0,1 mm, ale říká, že zvýšením na 1 m by mělo být možné detekovat gravitační vlny, předpovězené obecnou relativitou, ale dosud přímo nepozorované.
Zdroje: Physics World; Příspěvek je vydán 18. února 2010 v časopisu Nature
