Fysikere i USA og Tyskland har brugt to grundlæggende principper i kvantemekanik til at udføre en høj-præcisions test af Einsteins generelle relativitetsteori., Forskerne udnyttede bølge-partikel dualitet og superposition inden for et atom interferometer for at bevise, at en effekt kendt som gravitational redshift – sænkning af tiden nær en massiv krop – gælder for en præcision på syv dele i en milliard. Resultatet er vigtigt i søgen efter en teori om kvantegravitation og kan have betydelige praktiske konsekvenser, såsom forbedring af nøjagtigheden af globale positioneringssystemer.
Gravitational redshift følger af ækvivalensprincippet, der ligger til grund for generel relativitet., Ækvivalensprincippet siger, at de lokale virkninger af tyngdekraften er de samme som for at være i en accelereret referenceramme. Så den nedadgående kraft, der mærkes af nogen i en elevator, kan være lige på grund af en opadgående acceleration af elevatoren eller tyngdekraften. Pulser af lys, der sendes opad fra et ur på lift-gulvtæppe vil være Doppler-forskudt, eller rødforskudt, når liften er accelererende opad, hvilket betyder, at dette ur vil synes at afkrydse flere langsomt, når dens blinker er sammenlignet på loftet i elevatoren til et andet ur., Fordi der ikke er nogen måde at skelne tyngdekraft og acceleration fra hinanden, vil det samme gælde i et gravitationsfelt; med andre ord jo større tyngdekraftstræk, der opleves af et ur, eller jo tættere det er på et massivt legeme, jo langsommere vil det krydse. bekræftelse af denne effekt understøtter ideen om, at tyngdekraften er en manifestation af rumtidskrumning, fordi tidsstrømmen ikke længere er konstant i hele universet, men varierer afhængigt af fordelingen af massive kroppe., Forstærkning af ideen om rumtidskrumning er vigtig, når man skelner mellem forskellige teorier om kvantegravitation, fordi der er nogle versioner af strengteori, hvor materien kan reagere på noget andet end rumtidens geometri.,
Universalitet i frit fald
Gravitationelle rødforskydning, men som en manifestation af det lokale position invarians (den idé, at resultatet af enhver ikke-gravitationelle eksperiment er uafhængig af, hvor og hvornår i det univers, det foregår) er mindst bekræftet af de tre typer af eksperimentet, der understøtter den ækvivalens-princippet. De to andre, universaliteten af frit fald og lokal Lorent.invariance, er blevet verificeret med præcisioner på 10-13 eller bedre, mens gravitations rødforskydning tidligere kun var blevet bekræftet med en præcision på 7 10 10-5., Dette blev opnået i 1976 ved at registrere forskellen i forløbet tid målt ved to atomure-den ene på jordens overflade og den anden sendt op til en højde på 10.000 km i en raket.
denne form for rødforskydningsmåling er begrænset af graden af tyngdekraft, der leveres af Jordens masse., Den nye forskning, der udføres af Holger Müller fra University of California, Berkeley, Achim Peters af Humboldt-Universitetet i Berlin og Steven Chu, der tidligere på Berkeley men nu har den AMERIKANSKE minister for energi, er begrænset på samme måde, men formår at øge præcision takket være en ultrafine ur leveret af kvantemekanik.,
I 1997 Peters, der anvendes laser fældefangst teknikker, der er udviklet af Chu at fange cæsium atomer og køle dem til at få milliontedele af en grad over det absolutte nulpunkt (for at reducere deres hastighed så meget som muligt), og så brugte et lodrette laserstråle til at give et opadgående spark til atomer for at måle tyngdekraften frit fald.
nu har Chu og M andller fortolket resultaterne af dette eksperiment for at give en måling af gravitations rødforskydning.
i eksperimentet blev hvert af atomerne udsat for tre laserimpulser., Den første puls placerede atomet i en superposition af to lige så sandsynlige tilstande – enten forlader det alene for at decelerere og derefter falde tilbage til jorden under tyngdekraftens træk eller give det et ekstra spark, så det nåede en større højde, før det faldt. En anden puls blev derefter anvendt på det helt rigtige tidspunkt for at skubbe atomet i den anden tilstand hurtigere tilbage mod jorden, hvilket fik de to superpositionstilstande til at mødes på vej ned., På dette punkt er den tredje puls målt interferens mellem disse to stater som følge af atomets eksistens som en bølge, hvor ideen er, at enhver forskel i den gravitationelle rødforskydning, som den opleves af de to stater eksisterende forskel på højder over Jordens overflade ville være åbenbart som en ændring i den relative fase af de to stater.
enorm frekvens
dyden ved denne tilgang er den ekstremt høje frekvens af et cæsiumatoms de Broglie – bølge-nogle 3 10 1025 h.. Selvom i løbet af 0.,3 s i frit fald sagen bølger på de videregående forløb, oplevet en brugt tid på bare 2 × 10-20 s mere end bølgerne på den nederste bane gjorde, enorme frekvens af deres svingninger, kombineret med evnen til at måle amplitude forskelle på blot én del i 1000, har betydet, at forskerne var i stand til at bekræfte gravitationel rødforskydning til en præcision af 7 × 10-9.,
Som Müller udtrykker det, “Hvis tid i frit fald blev udvidet til at universets alder – 14 milliarder år – tidsforskellen mellem den øvre og nedre ruter, ville være blot en tusindedel af et sekund, og at nøjagtigheden af målingen ville være 60 hk, den tid det tager for lyset at rejse omkring en centimeter.”
denne ekstreme præcision kan blive nyttig, da globale positioneringssystemer bliver stadig mere nøjagtige., Som Müller påpeger, at bestemme placeringen af et objekt på jorden for at millimeter-nøjagtighed atomure om GPS-satellitterne vil være nødvendigt at operere med en præcision på 10-17, en figur, der faktisk opnåede for nylig ved hjælp af et ur, der er udviklet på det Nationale Institut for Standarder og Teknologi i USA (se “Nye optiske ur pauser nøjagtighed record”). Men i satellittenes højde på 20.000 km vil sådanne ure opleve en hurtigere tid på omkring en del i 1010 takket være gravitations rødforskydning., Gendannelse af præcisionen på 10-17 ville derfor kræve at kende rødforskydningseffekten til en præcision på 10-7.
m .ller håber at forbedre præcisionen af redshift-målingerne yderligere ved at øge afstanden mellem de to superpositionstilstande af cæsiumatomer. Den opnåede Afstand i den nuværende forskning var kun 0, 1 mm, men han siger, at ved at øge dette til 1 m skulle det være muligt at detektere gravitationsbølger, minimale krusninger i stoffet af rumtid forudsagt af generel relativitet, men aldrig før observeret.
arbejdet er beskrevet i Nature 463 926.,