natuurkundigen in de VS en Duitsland hebben twee fundamentele principes van kwantummechanica om een zeer nauwkeurige test uit te voeren van Einsteins algemene relativiteitstheorie., De onderzoekers gebruikten golf-deeltjes dualiteit en superpositie binnen een atoom interferometer om te bewijzen dat een effect bekend als gravitationele roodverschuiving – de vertraging van de tijd in de buurt van een massief lichaam – geldt voor een precisie van zeven delen in een miljard. Het resultaat is belangrijk in de zoektocht naar een theorie van kwantumzwaartekracht en kan belangrijke praktische implicaties hebben, zoals het verbeteren van de nauwkeurigheid van globale positioneringssystemen.
gravitationele roodverschuiving volgt op het equivalentieprincipe dat ten grondslag ligt aan de algemene relativiteit., Het gelijkwaardigheidsbeginsel stelt dat de lokale effecten van de zwaartekracht dezelfde zijn als die van het zich in een versneld referentiekader bevinden. Dus de neerwaartse kracht die door iemand in een lift wordt gevoeld, kan evenzeer te wijten zijn aan een opwaartse versnelling van de lift of aan de zwaartekracht. Lichtpulsen die van een klok op de liftvloer naar boven worden gestuurd, worden Doppler verschoven of roodverschuifd wanneer de lift naar boven versnelt, wat betekent dat deze klok langzamer lijkt te tikken wanneer zijn flitsen aan het plafond van de lift worden vergeleken met een andere klok., Omdat er geen manier is om zwaartekracht en versnelling uit elkaar te houden, zal hetzelfde gelden in een zwaartekrachtveld; met andere woorden, hoe groter de aantrekkingskracht die een klok ervaart, of hoe dichter hij bij een massief lichaam is, hoe langzamer hij tikt.
bevestiging van dit effect ondersteunt het idee dat zwaartekracht een manifestatie is van ruimte–tijd kromming omdat de tijdstroom niet langer constant is door het hele universum, maar varieert afhankelijk van de verdeling van massieve lichamen., Het versterken van het idee van ruimte–tijd kromming is belangrijk bij het onderscheiden van verschillende theorieën van kwantumzwaartekracht, omdat er een aantal versies van de snaartheorie zijn waarin materie kan reageren op iets anders dan de meetkunde van ruimte–tijd.,
universaliteit van de vrije val
zwaartekrachtroodverschuiving als manifestatie van lokale positie-invariantie (het idee dat de uitkomst van een niet-gravitatieexperiment onafhankelijk is van waar en wanneer het in het universum wordt uitgevoerd) is echter het minst bevestigde van de drie soorten experimenten die het equivalentieprincipe ondersteunen. De andere twee, de universaliteit van vrije val en lokale Lorentzinvariantie, zijn geverifieerd met precisies van 10-13 of beter, terwijl de gravitationele roodverschuiving eerder slechts met een precisie van 7 × 10-5 was bevestigd., Dit werd bereikt in 1976 door het verschil in verstreken tijd te registreren zoals gemeten door twee atoomklokken-één op het aardoppervlak en de andere op een hoogte van 10.000 km in een raket.
dit soort roodverschuivingsmeting wordt beperkt door de mate van zwaartekracht die door de massa van de Aarde wordt geboden., Het nieuwe onderzoek, uitgevoerd door Holger Müller van de Universiteit van Californië-Berkeley, Achim Peters van de Humboldt-Universiteit in Berlijn en Steven Chu, voorheen in Berkeley maar nu Amerikaanse minister van energie, is op dezelfde manier beperkt, maar slaagt erin om de precisie drastisch te verhogen dankzij een ultrafijne klok geleverd door kwantummechanica., in 1997 gebruikte Peters laser-vangtechnieken ontwikkeld door Chu om cesiumatomen op te vangen en af te koelen tot een paar miljoenste graad boven het absolute nulpunt (om hun snelheid zo veel mogelijk te verminderen), en vervolgens gebruikte hij een verticale laserstraal om de atomen een opwaartse trap te geven om de vrije val van de zwaartekracht te meten. nu hebben Chu en Müller de resultaten van dat experiment opnieuw geïnterpreteerd om een meting van de gravitationele roodverschuiving te geven.
in het experiment werd elk van de atomen blootgesteld aan drie laserpulsen., De eerste puls plaatste het atoom in een superpositie van twee even waarschijnlijke toestanden – ofwel liet het alleen om te vertragen en dan terug te vallen naar de aarde onder de aantrekkingskracht van de zwaartekracht of gaf het een extra trap zodat het een grotere hoogte bereikte voordat het afdaalde. Een tweede puls werd vervolgens op precies het juiste moment toegepast om het atoom in de tweede toestand sneller terug naar de aarde te duwen, waardoor de twee superpositietoestanden elkaar op de weg naar beneden ontmoeten., Op dit punt de derde puls gemeten de interferentie tussen deze twee staten veroorzaakt door het bestaan van het atoom als een golf, het idee dat elk verschil in gravitationele roodverschuiving zoals ervaren door de twee staten bestaande op verschil hoogten boven het aardoppervlak zou manifest zijn als een verandering in de relatieve fase van de twee staten.
enorme frequentie
het voordeel van deze aanpak is de extreem hoge frequentie van de Broglie – golf van een cesium-atoom-ongeveer 3 × 1025 Hz. Hoewel tijdens de 0.,3 s vrije val de materiegolven op het hogere traject ervoeren een verstreken tijd van slechts 2 × 10-20 s meer dan de golven op het lagere traject, de enorme frequentie van hun oscillatie, gecombineerd met de mogelijkheid om amplitudeverschillen van slechts een deel op 1000 te meten, betekende dat de onderzoekers in staat waren om gravitationele roodverschuiving te bevestigen met een precisie van 7 × 10-9., “als de tijd van vrije val werd verlengd tot de leeftijd van het universum – 14 miljard jaar – zou het tijdsverschil tussen de bovenste en onderste routes slechts een duizendste van een seconde zijn, en de nauwkeurigheid van de meting 60 ps zou zijn, de tijd die het licht nodig heeft om ongeveer een centimeter te reizen.”
deze uiterste precisie kan nuttig worden naarmate globale positioneringssystemen steeds nauwkeuriger worden., Müller wijst erop dat om de positie van een object op de grond tot op de millimeter nauwkeurig te bepalen de atoomklokken op GPS-satellieten zouden moeten werken met een precisie van 10-17, een cijfer in feite onlangs bereikt door een klok ontwikkeld door het National Institute of Standards and Technology in de VS (zie “New optical clock breaks accuracy record”). Maar op de hoogte van de satellieten van 20.000 km, zullen dergelijke klokken een versnelling van de tijd ervaren van ongeveer een deel in 1010 dankzij gravitationele roodverschuiving., Het herstellen van de precisie van 10-17 vereist daarom het kennen van het roodverschuivingseffect met een precisie van 10-7. Müller hoopt de nauwkeurigheid van de roodverschuivingsmetingen verder te verbeteren door de afstand tussen de twee superpositietoestanden van de cesiumatomen te vergroten. De afstand bereikt in het huidige onderzoek was slechts 0,1 mm, maar, zegt hij, door deze te verhogen tot 1 m zou het mogelijk moeten zijn om gravitatiegolven te detecteren, minuscule rimpelingen in het weefsel van ruimte–tijd voorspeld door de algemene relativiteit, maar nooit eerder waargenomen.
het werk wordt beschreven in natuur 463 926.,