Fysikere i USA og Tyskland har brukt to fundamentale prinsipper i kvantemekanikk til å utføre en høy presisjon test av Einsteins generelle relativitetsteori., Forskerne utnyttet bølge-partikkel-dualitet og superposisjon i et atom interferometer for å bevise at en effekt som kalles gravitasjons «rødforskyvning» – bremse ned av tid i nærheten av en massiv kropp – gjelder til en presisjon på syv deler i en milliard. Resultatet er viktig i jakten på en teori av quantum gravity, og kan ha betydelige praktiske konsekvenser, for eksempel for å forbedre nøyaktigheten av global positioning systems.
Gravitasjonsfelt «rødforskyvning» følger på fra ekvivalens prinsippet som ligger til grunn for de generelle relativitetsteori., Den ekvivalens prinsippet sier at den lokale effekten av tyngdekraften er de samme som de av å være i en akselerert referanseramme. Så den nedadgående kraft følte av noen i en heis kan være like på grunn av en oppadgående akselerasjonen til heisen eller til tyngdekraften. Pulser av lys som sendes oppover fra en klokke på heis etasje vil bli Doppler flyttet, eller redshifted, når heisen er akselererende oppover, noe som betyr at denne klokken, vises det til å krysse av på mer langsomt når det blinker er sammenlignet på taket av heis til en annen klokke., Fordi det er ingen måte å fortelle gravitasjon og akselerasjon fra hverandre, det samme vil holde sant i et gravitasjonsfelt; med andre ord et større gravitasjonskraft oppleves av en klokke, eller jo nærmere det er en massiv kropp, jo saktere vil det tick.
Bekreftelse av denne effekten støtter ideen om at tyngdekraften er en manifestasjon av rom–tid kurvatur fordi strømmen av tid er ikke lenger konstant i hele universet, men varierer i henhold til fordelingen av massive legemer., Forsterker ideen om tid–rom kurvatur som er viktig når du skal skille mellom ulike teorier of quantum gravity fordi det er noen versjoner av strengteori i saken som kan svare på noe annet enn geometrien av rom–tid.,
Universalitet fritt fall
Gravitasjonsfelt «rødforskyvning», men som en manifestasjon av lokale posisjon invarians (ideen om at utfallet av en eventuell ikke-gravitasjons eksperiment er uavhengig av hvor og når i universet det er gjennomført) er den minst godt bekreftet av tre typer eksperiment som støtter ekvivalens prinsippet. De to andre, universalitet fritt fall, og lokale Lorentz invarians, har blitt bekreftet med precisions av 10-13 eller bedre, mens gravitasjonsfelt «rødforskyvning» hadde tidligere blitt bekreftet bare til en presisjon på 7 × 10-5., Dette ble gjort i 1976 ved å registrere forskjellen i medgått tid målt ved to atomklokkene – en på overflaten av Jorden, og den andre er sendt opp til en høyde på 10 000 km i en rakett.
Denne typen «rødforskyvning» måling er begrenset av graden av gravitasjonskraft gitt av Jordens masse., Den nye forskningen, utført av Holger Müller fra University of California, Berkeley, Achim Peters av Humboldt-Universitetet i Berlin og Steven Chu, som tidligere i Berkeley, men nå OSS sekretær for energi, er begrenset på samme måte, men klarer å dramatisk øke presisjon takket være en ultrafine klokke gitt av kvantemekanikken.,
I 1997 Peters brukt laser fangst teknikker utviklet av Chu å fange cesium atomer og kule dem til et par milliondeler av en grad over absolutt null (for å redusere sine fart så mye som mulig), og deretter brukt en vertikal laser strålen for å gi en oppadgående spark til atomer for å måle gravitasjonsfelt fritt fall.
Nå, Chu og Müller har re-tolket resultatene av dette eksperimentet å gi en måling av gravitasjons «rødforskyvning».
I eksperimentet hvert av atomene ble utsatt for tre laser pulser., Første puls plassert atom til en superposisjon av to like sannsynlig stater – enten forlate det alene å avta og deretter faller ned til Jorden under tyngdekraften er trekk eller gi det et ekstra kick, slik at det nås et større høyde før nedstigning. En annen puls ble deretter brukt i akkurat riktig øyeblikk, slik som å presse atom i den andre staten, raskere tilbake mot Jorden, forårsaker de to superposisjon stater til å møte på veien ned., På dette punktet er den tredje puls målt til forstyrrelser mellom disse to tilstander forårsaket av atom eksistens som en bølge, ideen er at eventuelle forskjeller i gravitasjonsfelt «rødforskyvning» som oppleves av de to stater som eksisterte på forskjellen høyder over Jordens overflate, ville være manifestere seg som en endring i den relative fasen i de to landene.
Enorm frekvens
I kraft av denne tilnærmingen er svært høy frekvens av cesium atom de Broglie bølge – noen 3 × 1025 Hz. Selv under 0.,3 s av fritt fall saken bølger på høyere banen opplevd en avspillingstid på bare 2 × 10-20 s mer enn bølgene på nedre bane gjorde, den enorme hyppigheten av deres pendling, kombinert med muligheten til å måle amplitude forskjeller i bare en del i 1000, førte til at forskerne var i stand til å bekrefte gravitasjonsfelt «rødforskyvning» til en presisjon på 7 × 10-9.,
Som Müller sier det, «Hvis tiden av fritt fall ble utvidet til en alder av universet – 14 milliarder år – den tid forskjell mellom øvre og nedre ruter ville være bare én tusendel av et sekund, og nøyaktigheten av målingen ville være 60 ps, den tiden det tar for lyset å reise om en centimeter.»
Dette ekstrem presisjon kunne bli nyttig som global positioning-systemene blir stadig mer nøyaktige., Som Müller poeng ut, for å bestemme posisjonen til en gjenstand på bakken for å millimeter-nøyaktighet atomklokkene på GPS-satellitter ville behov for å operere med en presisjon på 10-17, en figur faktisk oppnådde nylig av en klokke som er utviklet ved National Institute of Standards and Technology i USA (se «Nye optiske klokke bryter korrektheten record»). Men på satellitter’ høyde på 20 000 km, slik klokker vil oppleve en raskere tid av om en del i 1010 takk til gravitasjonsfelt «rødforskyvning»., Gjenopprette presisjon 10-17 ville derfor kreve å vite «rødforskyvning» effekt til en presisjon på 10-7.
Müller håper å ytterligere forbedre presisjonen av «rødforskyvning» målinger ved å øke avstanden mellom de to superposisjon stater av cesium-atomer. Avstanden oppnådd i dagens forskning var bare 0,1 mm, men, sier han, ved å øke denne til 1 m bør det være mulig å oppdage gravitasjonsbølger, små krusninger i oppbyggingen av rom–tid spådd av generell relativitetsteori, men aldri før observert.
arbeidet er beskrevet i Naturen 463 926.,