Fyzikové v USA a Německu používají dva základní principy kvantové mechaniky, provedení high-precision test Einsteinovy obecné teorie relativity., Vědci využívány vlna-dualita částečky a superpozice v atomu interferometr, aby prokázal, že efekt známý jako gravitační rudý posuv – zpomalení času blízkosti masivní tělo – platí s přesností sedmi částí na miliardu. Výsledek je důležitý při hledání teorie kvantové gravitace a může mít významné praktické důsledky, jako je zlepšení přesnosti globálních polohovacích systémů.
gravitační redshift navazuje na princip ekvivalence, který je základem obecné relativity., Princip ekvivalence uvádí, že místní účinky gravitace jsou stejné jako účinky, které jsou ve zrychleném referenčním rámci. Takže síla dolů, kterou cítil někdo ve výtahu, může být stejně způsobena vzestupným zrychlením výtahu nebo gravitací. Pulsy světla poslal nahoru z hodiny na výtah podlaha bude Doppler posunutý, nebo redshifted, když výtah zrychluje směrem nahoru, což znamená, že tyto hodiny se objeví zaškrtnout více pomalu, když jeho záblesky jsou ve srovnání na strop výtahu do další hodiny., Protože neexistuje žádný způsob, jak říct, gravitace a zrychlení od sebe, totéž bude platit v gravitačním poli; jinými slovy čím větší je gravitační síla zkušený hodiny, nebo čím blíže je k masivní tělo, tím pomaleji to bude klíště.
Potvrzení tohoto efektu podporuje myšlenku, že gravitace je projevem časoprostorové zakřivení, protože tok času je již konstantní po celém vesmíru, ale liší se podle distribuce masivní těla., Posílit představu o časoprostoru zakřivení je důležité při rozlišování různých teorií kvantové gravitace, protože tam jsou některé verze teorie strun, ve kterém může reagovat na něco jiného než na geometrii časoprostoru.,
Univerzálnost volným pádem
Gravitační rudý posuv, nicméně, jako projev místní pozice invariance (představa, že výsledek jakékoliv non-gravitační experiment je nezávislý na kde a kdy ve vesmíru je prováděna), je alespoň dobře, potvrdil tři typy experimentů, které podporují princip rovnocennosti. Další dva, univerzálnost Freefall a místní Lorentzova invariance, byly ověřeny s precizemi 10-13 nebo lepšími, zatímco gravitační redshift byl dříve potvrzen pouze s přesností 7 × 10-5., Toho bylo dosaženo v roce 1976 nahrávání rozdíl v uplynulý čas, měřeno dva atomové hodiny – jeden na povrchu Země a ostatní poslal až do nadmořské výšky 10 000 km v raketě.
tento druh měření redshift je omezen stupněm gravitačního tahu poskytovaného zemskou hmotou., Nový výzkum, prováděný Holger Müller z University of California Berkeley, Achim Peters z Humboldtově Univerzitě v Berlíně a Steven Chu, dříve v Berkeley, ale nyní americký ministr energetiky, je omezen stejným způsobem, ale dokáže výrazně zvýšit přesnost díky ultrajemné hodiny poskytována kvantové mechaniky.,
V roce 1997 Peters používá laserové techniky odchytu vyvinut Chu zachytit atomy cesia a je vychladnout na pár miliontin stupně nad absolutní nulu (za účelem snížení jejich rychlosti stejně jako je to možné), a pak používá vertikální laserový paprsek se rozšiřovat směrem nahoru kop atomů pro měření gravitačního pádu.
Nyní, Chu a Müller mají re-interpretovány výsledky experimentu dát měření gravitační rudý posuv.
v experimentu byl každý z atomů vystaven třem laserovým pulsům., První puls umístěn atom do superpozice dva stejně pravděpodobné stavy – buď to nechala o samotě, aby zpomalit a pak zase padají dolů k Zemi, pod gravitační síly, nebo dávat to extra kop tak, aby se dosáhlo větší výšky, než klesající. Druhý puls byl poté aplikován ve správný okamžik, aby se atom ve druhém stavu vrátil rychleji k zemi, což způsobilo, že se dva superpoziční stavy setkaly na cestě dolů., V tuto chvíli třetí puls měří rušení mezi těmito dvěma státy, které přinesla atom je existence jako vlna, myšlenka je, že žádný rozdíl v gravitační rudý posuv, jako zkušený dva státy existující na rozdíl výšky nad zemským povrchem by se projevit změnou relativní fáze dva státy.
enormní frekvence
ctností tohoto přístupu je extrémně vysoká frekvence vlny de Broglie atomu cesia-přibližně 3 × 1025 Hz. Ačkoli během 0.,3 s volným pádem záležitost vlny na vyšší trajektorii zkušený uplynulý čas jen 2 × 10-20 s více než vlny na nižší trajektorii udělal, obrovské frekvenci jejich kmitání, v kombinaci s možností měřit amplitudu rozdíly jen jedna část v 1000, znamená, že vědci byli schopni potvrdit, gravitační rudý posuv s přesností 7 × 10-9.,
Jako Müller říká, „v Případě, že doba volného pádu byla prodloužena ke stáří vesmíru 14 miliard let – časový rozdíl mezi horní a dolní cesty by být pouhou jednu tisícinu sekundy a přesnost měření by bylo 60 ps, čas potřebný pro světlo k cestování o centimetr.“
tato extrémní přesnost by se mohla stát užitečnou, protože globální polohovací systémy jsou stále přesnější., Jako Müller poukazuje na to, že k určení polohy objektu na zemi, na milimetrovou přesnost atomové hodiny na satelity GPS bude muset pracovat s přesností 10-17, postava, ve skutečnosti dosaženo v poslední době o clock vyvinul v Národním Institutu pro Standardy a Technologie v USA (viz „Nové optické hodiny přestávky přesnost záznamu“). V nadmořské výšce 20 000 km však takové hodiny zažijí zrychlení času asi jedné části v roce 1010 díky gravitačnímu redshiftu., Obnovení přesnosti 10-17 by proto vyžadovalo znát efekt redshift na přesnost 10-7.
Müller doufá, že dále zlepší přesnost měření redshift zvýšením vzdálenosti mezi dvěma superpozičními stavy atomů cesia. Vzdálenost dosažená v aktuálním výzkumu byl pouhý 0,1 mm, ale říká, že tím, že zvyšuje na 1 m by mělo být možné detekovat gravitační vlny, nepatrné vlnky v tkanině časoprostoru, předpovězené obecnou teorií relativity, ale nikdy předtím pozorován.
práce je popsána v Nature 463 926.,