Този път тя беше гравитационното червено изместване на общата относителност; и строгостта? Удивително по-добро от едно на част от 100 милиона!
Как Стивън Чу (министърът на енергетиката на САЩ, въпреки че тази работа беше извършена, докато беше в Калифорнийския университет в Бъркли), Холгер Мюлер (Беркли) и Ахим Питърс (Университета Хумболт в Берлин) победиха предишния най-добър гравитационен тест за червено изместване (в 1976 г., използвайки два атомни часовника - единият на повърхността на Земята, а другият изпратен на ракета на надморска височина от 10 000 км) с потресаващи 10 000 пъти?
Чрез експлоатирана двойност на вълните и частиците и суперпозиция в атомен интерферометър!
Относно тази цифра
: Схематично как работи атомният интерферометър. Траекториите на двата атома са начертани като функции на времето. Атомите се ускоряват поради гравитацията, а осцилационните линии изобразяват фазовото натрупване на вълните на материята. Стрелките показват времената на трите лазерни импулса. (Любезното съдействие: природа).
Гравитационното червено изместване е неизбежна последица от принципа на еквивалентност, който е в основата на общата относителност. Принципът на еквивалентност гласи, че локалните ефекти на гравитацията са същите като тези, които се намират в ускорена контролна рамка. Така че низходящата сила, почувствана от някой в асансьор, може да се дължи еднакво поради ускорение на повдигането или от гравитацията. Импулсите от светлина, изпратени нагоре от часовник на повдигащия се етаж, ще бъдат преместени отново, когато асансьорът се ускорява нагоре, което означава, че този часовник ще изглежда по-бавно, когато светкавиците му се сравнят на тавана на асансьора с друг часовник. Тъй като няма начин да разделим гравитацията и ускорението на разстояние, същото ще важи и в гравитационното поле; с други думи, колкото по-голямо е гравитационното дърпане, изпитвано от часовник, или колкото по-близо е до масивно тяло, толкова по-бавно ще цъка.
Потвърждението на този ефект подкрепя идеята, че гравитацията е геометрия - проява на кривината в пространството-времето - защото потокът от време вече не е постоянен във вселената, а варира според разпределението на масивните тела. Изследването на идеята за кривината в пространството е важно, когато се прави разлика между различни теории на квантовата гравитация, тъй като има някои версии на теорията на струните, в които материята може да отговори на нещо различно от геометрията на космическото време.
Гравитационното червено изместване, обаче, като проява на локална инвариантност на положението (идеята, че резултатът от всеки негравитационен експеримент е независим от това къде и кога във Вселената се провежда) е най-малко потвърденият от трите типа експерименти, които подкрепят принципа на еквивалентност. Другите две - универсалността на свободното падане и локалната Лоренцова инвариантност - бяха проверени с точност 10-13 или по-добре, докато гравитационното червено изместване преди това е било потвърдено само с точност от 7 × 10-5.
През 1997 г. Питърс използва лазерни техники за улавяне, разработени от Чу, за да улавя цезиеви атоми и да ги охлажда до няколко милиона градуса К (с цел да намали максимално скоростта им), след което използва вертикален лазерен лъч, за да придаде удар нагоре към атомите, за да се измери гравитационното свободно падане.
Сега Чу и Мюлер повторно интерпретираха резултатите от този експеримент, за да дадат измерване на гравитационното червено изместване.
В експеримента всеки от атомите беше изложен на три лазерни импулса. Първият импулс постави атома в суперпозиция от две еднакво вероятни състояния - или го оставя сам да се забави и след това да падне обратно на Земята под тежестта на гравитацията, или да му даде допълнителен удар, така че да достигне по-голяма височина преди спускане. След това се приложи втори импулс в точно подходящия момент, така че да изтласка атома във второто състояние обратно по-бързо към Земята, което води до това, че двете състояния на суперпозиция се срещат по пътя надолу. В този момент третият импулс измерва намесата между тези две състояния, породена от съществуването на атома като вълна, като идеята е, че всяка разлика в гравитационното червено изместване, изпитвана от двете състояния, съществуващи на различна височина над земната повърхност, ще се прояви като промяна в относителната фаза на двете състояния.
Добродетелът на този подход е изключително високата честота на вълната на Броли с цезиев атом - около 3 × 1025Hz. Въпреки че по време на 0,3 s свободно падане вълните на материята по по-високата траектория изминаха време от едва 2 × 10-20s повече от вълните по долната траектория, огромната честота на тяхното трептене, съчетана с способността да измерват разликите в амплитудата само на една част на 1000, означаваше, че изследователите са успели да потвърдят гравитационното червено изместване с точност от 7 × 10-9.
Както казва Мюлер, „Ако времето на свободно падане се разшири до епохата на Вселената - 14 милиарда години - разликата във времето между горния и долния маршрут би била едва една хилядна част от секундата, и точността на измерването би да е 60 ps, времето, необходимо за светлината да измине около сантиметър. "
Мюлер се надява допълнително да подобри точността на измерванията на червеното изместване, като увеличи разстоянието между двете състояния на суперпозиция на цезиевите атоми. Разстоянието, постигнато в настоящото изследване, е само 0,1 mm, но, казва той, чрез увеличаване на това до 1 m би трябвало да бъде възможно да се открият гравитационни вълни, прогнозирани от обща относителност, но все още не директно наблюдавани.
Източници: Светът на физиката; Документът е в броя на Nature, 18 февруари 2010 г.
