На этот раз это была гравитационная часть красного смещения Общей теории относительности; а строгость? Удивительная лучше, чем одна часть в 100 миллионов!
Как Стивен Чу (министр энергетики США, хотя эта работа была проделана, когда он учился в Калифорнийском университете в Беркли), Хольгер Мюлер (Беркли) и Ахим Петерс (Университет Гумбольдта в Берлине) прошли предыдущий лучший тест на гравитационное красное смещение (в В 1976 году с использованием двух атомных часов - одного на поверхности Земли, а другого отправили на высоту 10000 км в ракете) ошеломляющим 10000 раз?
Используя двойственность волн и частиц и суперпозицию внутри атомного интерферометра!
Об этой фигуре
Схема работы атомного интерферометра Траектории двух атомов изображены как функции времени. Атомы ускоряются под действием силы тяжести, а колебательные линии изображают фазовое накопление волн вещества. Стрелки показывают время трех лазерных импульсов. (Предоставлено природой).
Гравитационное красное смещение является неизбежным следствием принципа эквивалентности, который лежит в основе общей теории относительности. Принцип эквивалентности гласит, что локальные эффекты гравитации те же, что и в ускоренной системе отсчета. Таким образом, нисходящая сила, испытываемая кем-то в лифте, может быть в равной степени связана с ускорением лифта вверх или силой тяжести. Импульсы света, посылаемые вверх от часов на полу лифта, будут смещены в красное смещение, когда лифт ускоряется вверх, что означает, что эти часы будут тикать медленнее, когда их вспышки сравниваются на потолке лифта с другими часами. Поскольку нет способа разграничить гравитацию и ускорение, то же самое будет справедливо в гравитационном поле; другими словами, чем больше гравитационное притяжение, испытываемое часами, или чем ближе оно к массивному телу, тем медленнее оно будет тикать.
Подтверждение этого эффекта подтверждает идею о том, что гравитация - это геометрия - проявление искривления пространства-времени - потому что поток времени больше не постоянен во всей вселенной, а меняется в зависимости от распределения массивных тел. Изучение идеи кривизны пространства-времени важно при различении различных теорий квантовой гравитации, поскольку существуют некоторые версии теории струн, в которых материя может реагировать на что-то иное, чем геометрия пространства-времени.
Гравитационное красное смещение, однако, как проявление локальной инвариантности положения (идея о том, что результат любого негравитационного эксперимента не зависит от того, где и когда во Вселенной он проводится) является наименее хорошо подтвержденным из трех типов эксперимента, которые поддержать принцип эквивалентности. Два других - универсальность свободного падения и локальная инвариантность Лоренца - были проверены с точностью до 10-13 или лучше, тогда как гравитационное красное смещение ранее было подтверждено только с точностью 7 × 10-5.
В 1997 году Петерс использовал методы лазерного захвата, разработанные Чу, чтобы захватить атомы цезия и охладить их до нескольких миллионных долей градуса К (чтобы максимально снизить их скорость), а затем использовал вертикальный лазерный луч для передачи удара вверх. к атомам, чтобы измерить гравитационное свободное падение.
Теперь Чу и Мюллер переосмыслили результаты этого эксперимента, чтобы измерить гравитационное красное смещение.
В эксперименте каждый из атомов подвергался воздействию трех лазерных импульсов. Первый импульс помещал атом в суперпозицию двух одинаково вероятных состояний - либо оставляя его в покое, чтобы замедляться, а затем падать обратно на Землю под действием силы тяжести, либо придавая ему дополнительный толчок, чтобы он достиг большей высоты перед спуском. Затем в нужный момент был применен второй импульс, чтобы заставить атом во втором состоянии быстрее вернуться к Земле, в результате чего два состояния суперпозиции встретились на пути вниз. В этот момент третий импульс измерял интерференцию между этими двумя состояниями, вызванную существованием атома в виде волны, идея заключалась в том, что любая разница в гравитационном красном смещении, которую испытывают два состояния, существующие на разной высоте над поверхностью Земли, будет проявляться как изменение относительной фазы двух состояний.
Преимущество этого подхода заключается в чрезвычайно высокой частоте волны де Бройля атома цезия - около 3 × 1025Гц. Хотя в течение 0,3 с свободного падения материальные волны на более высокой траектории испытали прошедшее время всего 2 × 10-20Более того, чем волны на нижней траектории, огромная частота их колебаний в сочетании со способностью измерять разности амплитуд только одной части на 1000, означала, что исследователи смогли подтвердить гравитационное красное смещение с точностью 7 × 10.-9.
Как говорит Мюллер: «Если бы время свободного падения было продлено до возраста Вселенной - 14 миллиардов лет - разница во времени между верхним и нижним маршрутами составила бы всего одну тысячную секунды, и точность измерения 60 пс, время прохождения света около сантиметра ».
Мюллер надеется еще больше повысить точность измерений красного смещения, увеличив расстояние между двумя состояниями суперпозиции атомов цезия. Достигнутое в данном исследовании расстояние составило всего 0,1 мм, но, по его словам, увеличив его до 1 м, можно будет обнаруживать гравитационные волны, предсказываемые общей теорией относительности, но еще не наблюдаемые непосредственно.
Источники: Физика Мира; статья в выпуске Nature от 18 февраля 2010 г.
