米国とドイツの物理学者アインシュタインの相対性理論の一般的な理論。, 研究者らは、原子干渉計内の波と粒子の二重性と重ね合わせを利用して、重力赤方偏移として知られている効果、すなわち巨大天体の近くの時間の減速が、億の七つの部分の精度に当てはまることを証明した。 この結果は、量子重力理論の探索において重要であり、全地球測位システムの精度を向上させるなど、重要な実用的な意味を持つ可能性があります。
重力赤方偏移は、一般相対性理論の根底にある等価原理から続く。, 等価原理は、重力の局所効果は加速された基準系にある場合と同じであると述べている。 したがって、リフト内の誰かが感じる下向きの力は、リフトの上向きの加速または重力にも同様に起因する可能性があります。 リフトフロアの時計から上向きに送られる光のパルスは、リフトが上向きに加速しているときにドップラーシフトまたは赤シフトされ、この時計は、リフトの天井での点滅を別の時計と比較すると、よりゆっくりとチェックされるように見えることを意味する。, 重力と加速度を区別する方法がないので、重力場でも同じことが成り立ちます。言い換えれば、時計によって経験される重力の引きが大きいほど、またはそれが巨大な物体に近いほど、それはよりゆっくりとダニになります。
この効果の確認は、時間の流れがもはや宇宙全体で一定ではなく、巨大な天体の分布に応じて変化するため、重力が時空曲率の現れであるという考えを支持する。, 量子重力の異なる理論を区別する際には、時空曲率の考え方を強化することが重要である。,
自由落下の普遍性
重力赤方偏移は、しかし、局所位置不変性の現れとして（非重力実験の結果は宇宙のどこでいつ行われるかに依存しないという考え）、等価原理を支持する三つのタイプの実験の中で最もよく確認されている。 他の二つ、自由落下と局所ローレンツ不変性の普遍性は10-13以上の精度で検証されているが、重力赤方偏移は以前は7×10-5の精度でしか確認されていなかった。, これは1976年に地球の表面にある二つの原子時計によって測定された経過時間の差を記録することによって達成されました–もう一つはロケットで10,000kmの高度まで送られました。
この種の赤方偏移測定は、地球の質量によって提供される重力の引きの程度によって制限されます。, カリフォルニア大学バークレー校のHolger Müller、ベルリンのフンボルト大学のAchim Peters、そして以前はバークレー校であったが現在は米国のエネルギー長官であるSteven Chuによって行われた新しい研究は、同じように制限されていますが、量子力学によって提供される超微細時計のおかげで精度を劇的に向上させることができます。,
1997年、ピーターズはチューによって開発されたレーザートラッピング技術を使用してセシウム原子を捕捉し、絶対零度を超える数百万分の一に冷却し、重力の自由落下を測定するために垂直レーザービームを使用して原子に上向きのキックを与えた。
さて、ChuとMüllerは、重力赤方偏移の測定を与えるために、その実験の結果を再解釈しました。
実験では、各原子を三つのレーザーパルスに曝した。, 最初のパルスは原子を二つの同じように可能性の高い状態の重ね合わせに配置しました–減速して重力の引き下で地球に落ちるか、または下降する前により大きな高さに達するように余分なキックを与えます。 第二の状態の原子を地球に向かってより速く押し戻すために、第二のパルスをちょうど正しい瞬間に印加し、二つの重ね合わせ状態を下る途中で会うようにした。, この時点で、第三のパルスは、原子が波として存在することによってもたらされるこれら二つの状態間の干渉を測定し、地球の表面の上の差の高さに存在する二つの状態が経験する重力赤方偏移の違いは、二つの状態の相対位相の変化として現れるという考えであった。
巨大な周波数
このアプローチの長所は、セシウム原子のドブロイ波の非常に高い周波数であり、いくつかの3×1025Hzです。 0の間にもかかわらず。,自由落下の3秒高い軌道の物質波は、低い軌道の波よりもわずか2×10-20秒の経過時間を経験し、その振動の巨大な周波数と、1000の一部の振幅の違いを測定する能力と組み合わせることにより、研究者は7×10-9の精度で重力赤方偏移を確認することができたことを意味した。,
ミュラーが言うように、”自由落下の時間が宇宙の年齢–14億年まで延長された場合、上下のルートの時間差は単なる千分の一であり、測定の精度は60psであり、光が約センチメートル移動するのにかかる時間である。”
この極端な精度は、全地球測位システムがより正確になるにつれて有用になる可能性があります。, ミュラーが指摘するように、地上の物体の位置をミリメートルの精度で決定するためには、GPS衛星の原子時計は10-17の精度で動作する必要があります。 しかし、衛星の高度20,000kmでは、そのような時計は重力赤方偏移のおかげで1010年に約一部の時間のスピードアップを経験するでしょう。, したがって、10-17の精度を回復するには、赤方偏移の効果を10-7の精度に知る必要があります。
ミュラーは、セシウム原子の二つの重ね合わせ状態間の距離を増やすことによって、赤方偏移測定の精度をさらに向上させたいと考えています。 現在の研究で達成された距離はわずか0.1mmでしたが、これを1mに増やすことで、一般相対性理論によって予測されたが、これまで観測されたことのない時空のファブリックにおける極めて小さな波紋である重力波を検出することが可能であると彼は言います。
この作品はNature463 926に記載されています。,