fizycy w USA i Niemczech wykorzystali dwie podstawowe zasady mechaniki kwantowej do przeprowadzenia precyzyjnego testu ogólnej teorii względności Einsteina., Naukowcy wykorzystali dualność cząstek falowych i superpozycję w interferometrze atomowym, aby udowodnić, że efekt znany jako grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni – spowolnienie czasu w pobliżu masywnego ciała – jest wierny precyzji siedmiu części na miliard. Wynik jest ważny w poszukiwaniu teorii grawitacji kwantowej i może mieć znaczące implikacje praktyczne, takie jak poprawa dokładności globalnych systemów pozycjonowania.
grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni wynika z zasady równoważności leżącej u podstaw ogólnej teorii względności., Zasada równoważności stwierdza, że lokalne skutki grawitacji są takie same, jak w przyspieszonej ramie odniesienia. Siła więc w dół odczuwana przez kogoś w windzie może być w równym stopniu spowodowana jego przyspieszeniem w górę lub grawitacją. Impulsy światła wysyłane do góry z zegara na podłodze windy będą przesunięte Dopplerowo lub przesunięte na czerwono, gdy winda przyspiesza w górę, co oznacza, że zegar ten będzie wydawał się wolniej tykać, gdy jego błyski zostaną porównane na suficie windy do innego zegara., Ponieważ nie ma sposobu, aby odróżnić grawitację od przyspieszenia, to samo będzie prawdziwe w polu grawitacyjnym; innymi słowy, im większe przyciąganie grawitacyjne doświadczane przez zegar, lub im bliżej masywnego ciała, tym wolniej ono będzie tykać.
potwierdzenie tego efektu wspiera ideę, że grawitacja jest przejawem krzywizny czasoprzestrzeni, ponieważ przepływ czasu nie jest już stały w całym wszechświecie, ale zmienia się w zależności od rozkładu masywnych ciał., Wzmocnienie idei krzywizny czasoprzestrzeni jest ważne przy rozróżnianiu różnych teorii grawitacji kwantowej, ponieważ istnieją pewne wersje teorii strun, w których materia może reagować na coś innego niż geometria czasoprzestrzeni.,
uniwersalność freefall
grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni, jednak jako przejaw lokalnej niezmienności pozycji (idea, że wynik jakiegokolwiek eksperymentu niegrawitacyjnego jest niezależny od tego, gdzie i kiedy we wszechświecie jest przeprowadzany) jest najmniej dobrze potwierdzonym z trzech rodzajów eksperymentu, które wspierają zasadę równoważności. Pozostałe dwa, uniwersalność freefall i lokalna niezmienniczość Lorentza, zostały zweryfikowane z dokładnością 10-13 lub lepszą, podczas gdy grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni zostało wcześniej potwierdzone tylko z dokładnością 7 × 10-5., Osiągnięto to w 1976 roku, rejestrując różnicę czasu mierzoną przez dwa zegary atomowe-jeden na powierzchni Ziemi, a drugi wysyłany na wysokość 10 000 km w rakiecie.
ten rodzaj pomiaru przesunięcia ku czerwieni jest ograniczony stopniem przyciągania grawitacyjnego zapewnianym przez masę ziemi., Nowe badania, przeprowadzone przez Holgera Müllera z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, Achima Petersa z Uniwersytetu Humboldta w Berlinie i Stevena Chu, wcześniej w Berkeley, ale teraz amerykańskiego sekretarza energii, są ograniczone w ten sam sposób, ale udaje się znacznie zwiększyć precyzję dzięki ultradrobnemu zegarowi zapewnionemu przez mechanikę kwantową.,
W 1997 roku Peters użył techniki przechwytywania laserowego opracowanej przez Chu do przechwytywania atomów cezu i chłodzenia ich do kilku milionowych części stopnia powyżej zera bezwzględnego (w celu zmniejszenia ich prędkości w jak największym stopniu), a następnie użył pionowej wiązki laserowej, aby nadać atomom kopa w górę w celu pomiaru grawitacyjnego swobodnego spadania.
teraz Chu i Müller ponownie zinterpretowali wyniki tego eksperymentu, aby dać pomiar grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni.
w eksperymencie każdy z atomów był wystawiony na działanie trzech impulsów laserowych., Pierwszy impuls umieścił atom w superpozycji dwóch równie prawdopodobnych Stanów – albo pozostawiając go samego, aby zwolnił, a następnie spadł z powrotem na ziemię pod naciśnięciem grawitacji, albo dając mu dodatkowy kopniak, tak że osiągnął większą wysokość przed zejściem. Drugi impuls został następnie zastosowany w odpowiednim momencie, aby przesunąć atom w drugim stanie szybciej w kierunku Ziemi, powodując, że dwa stany superpozycji spotykają się w drodze w dół., W tym momencie trzeci impuls mierzył interferencję między tymi dwoma stanami spowodowaną przez istnienie atomu jako fali, idea jest taka, że jakakolwiek różnica w grawitacyjnym przesunięciu ku czerwieni, jakiej doświadczają dwa stany istniejące na wysokości różnicy nad powierzchnią ziemi, byłaby manifestowana jako zmiana w względnej fazie dwóch stanów.
Ogromna częstotliwość
zaletą tego podejścia jest niezwykle wysoka częstotliwość fali de Broglie ' ego atomu cezu – około 3 × 1025 Hz. Chociaż podczas 0.,3 s freefall fale materii na wyższej trajektorii doświadczył upłynął czas zaledwie 2 × 10-20 s więcej niż fale na niższej trajektorii nie, Ogromna częstotliwość ich oscylacji, w połączeniu z możliwością pomiaru różnic amplitudy tylko jednej części na 1000, oznaczało, że naukowcy byli w stanie potwierdzić grawitacyjne przesunięcie ku czerwieni z dokładnością 7 × 10-9.,
Jak to ujął Müller: „gdyby czas swobodnego spadania został wydłużony do wieku wszechświata – 14 miliardów lat – różnica czasu między górną i dolną trasą wynosiłaby zaledwie jedną tysięczną sekundy, a dokładność pomiaru wynosiłaby 60 ps, czyli czas potrzebny do przebycia światła o centymetr.”
ta ekstremalna precyzja może stać się przydatna, ponieważ globalne systemy pozycjonowania stają się coraz dokładniejsze., Jak zauważa Müller, aby określić położenie obiektu na ziemi z dokładnością do milimetra, zegary atomowe na satelitach GPS musiałyby działać z dokładnością 10-17, co w rzeczywistości osiągnęło ostatnio zegar opracowany w Narodowym Instytucie norm i Technologii w USA (patrz „nowy zegar optyczny bije rekord dokładności”). Ale na wysokości satelitów 20 000 km, takie Zegary doświadczą przyspieszenia czasu o około jedną część na 1010 dzięki grawitacyjnemu przesunięciu ku czerwieni., Odzyskanie dokładności 10-17 wymagałoby zatem znajomości efektu przesunięcia ku czerwieni do dokładności 10-7.
Müller ma nadzieję na dalszą poprawę precyzji pomiarów przesunięcia ku czerwieni poprzez zwiększenie odległości między dwoma stanami superpozycji atomów cezu. Odległość osiągnięta w obecnych badaniach wynosiła zaledwie 0,1 mm, ale, jak twierdzi, zwiększając ją do 1 m, powinno być możliwe wykrycie fal grawitacyjnych, drobnych zmarszczek w strukturze czasoprzestrzeni przewidywanej przez ogólną teorię względności, ale nigdy wcześniej nie zaobserwowanej.
praca jest opisana w Nature 463 926.,