fysiker i USA och Tyskland har använt två grundläggande grundsatser av kvantmekanik för att utföra ett högprecisionstest av Einsteins allmänna relativitetsteori., Forskarna utnyttjade vågpartikeldualitet och överlagring inom en atom – interferometer för att bevisa att en effekt som kallas gravitationell rödförskjutning – saktar ner tiden nära en massiv kropp-håller fast vid en precision på sju delar i en miljard. Resultatet är viktigt i sökandet efter en teori om kvantgravitation och kan ha betydande praktiska konsekvenser, såsom att förbättra noggrannheten hos globala positioneringssystem.
gravitations rödförskjutning följer på ekvivalensprincipen som ligger till grund för allmän relativitet., I likvärdighetsprincipen anges att de lokala effekterna av gravitationen är desamma som för att vara i en accelererad referensram. Så den nedåtgående kraften som känns av någon i en hiss kan vara lika på grund av en uppåtgående acceleration av hissen eller tyngdkraften. Pulser av ljus som skickas uppåt från en klocka på lyftgolvet kommer att Doppler skiftas, eller redshifted, när hissen accelererar uppåt, vilket innebär att denna klocka kommer att verka kryssa långsammare när dess blixtar jämförs i taket av hissen till en annan klocka., Eftersom det inte finns något sätt att berätta gravitation och acceleration isär, samma kommer att hålla sant i en gravitationsfält; med andra ord desto större gravitation dra upplevs av en klocka, eller ju närmare det är till en massiv kropp, desto långsammare kommer det att kryssa.
bekräftelse av denna effekt stöder tanken att gravitationen är en manifestation av rymdtidskrökning eftersom tidsflödet inte längre är konstant i hela universum utan varierar beroende på fördelningen av massiva kroppar., Att förstärka idén om Rum-tid krökning är viktigt när man skiljer mellan olika teorier om kvantgravitation eftersom det finns vissa versioner av strängteori där materia kan svara på något annat än geometri rymdtid.,
universalitet av freefall
gravitations rödförskjutning, dock som en manifestation av lokal position invariance (tanken att resultatet av någon icke-gravitations experiment är oberoende av var och när i universum det utförs) är den minst väl bekräftad av de tre typer av experiment som stöder likvärdighetsprincipen. De andra två, universaliteten av freefall och lokal Lorentz-invariance, har verifierats med precisioner av 10-13 eller bättre, medan gravitations rödförskjutning tidigare endast hade bekräftats med en precision på 7 × 10-5., Detta uppnåddes 1976 genom att registrera skillnaden i förfluten tid mätt med två atomklockor-en på jordens yta och den andra skickas upp till en höjd av 10 000 km i en raket.
denna typ av redshiftmätning begränsas av graden av gravitationsdrag som tillhandahålls av jordens massa., Den nya forskning, som genomfördes av Holger Müller från University of California Berkeley, Achim Peters av Humboldt-Universitetet i Berlin och Steven Chu, tidigare vid Berkeley men nu OSS sekreterare av energi, är begränsad på samma sätt men lyckas ökar dramatiskt med precision tack vare ett ultrafina klocka som tillhandahålls av kvantmekaniken.,
1997 använde Peters laserfällningstekniker som utvecklats av Chu för att fånga cesiumatomer och kyla dem till några miljoner av en grad över absolut noll (för att minska deras hastighet så mycket som möjligt) och använde sedan en vertikal laserstråle för att ge en uppåtgående kick till atomerna för att mäta gravitationsfrifall.
nu har Chu och Müller åter tolkat resultaten av experimentet för att ge en mätning av gravitations rödförskjutning.
i experimentet utsattes var och en av atomerna för tre laserpulser., Den första pulsen placerade atomen i en superposition av två lika sannolika tillstånd – antingen lämnar den ensam för att decelerera och sedan falla tillbaka ner till jorden under gravitationens drag eller ge den en extra kick så att den nådde en större höjd innan den sjönk. En andra puls applicerades sedan vid precis rätt ögonblick för att driva atomen i det andra tillståndet tillbaka snabbare mot jorden, vilket ledde till att de två superpositionsstaterna möttes på vägen ner., Vid denna tidpunkt mätte den tredje pulsen störningen mellan dessa två stater som orsakades av atomens existens som en våg, tanken är att någon skillnad i gravitations rödförskjutning som upplevs av de två tillstånden som existerade vid skillnadshöjder över jordens yta skulle manifesteras som en förändring i de två tillståndens relativa fas.
enorm frekvens
fördelen med detta tillvägagångssätt är den extremt höga frekvensen av en cesiumatoms de Broglie – våg-ungefär 3 × 1025 Hz. Även under 0.,3 s av fritt fall materiavågorna på den högre banan upplevde en förfluten tid på bara 2 × 10-20 s mer än vågorna på den nedre banan gjorde, den enorma frekvensen av deras oscillation, i kombination med förmågan att mäta amplitudskillnader på bara en del i 1000, innebar att forskarna kunde bekräfta gravitations rödförskjutning till en precision av 7 × 10-9.,
som Müller säger, ” om tiden för freefall förlängdes till universums ålder-14 miljarder år – skulle tidsskillnaden mellan de övre och nedre vägarna vara bara en tusendels sekund ,och mätningens noggrannhet skulle vara 60 ps, den tid det tar för ljus att resa ungefär en centimeter.”
denna extrema precision kan bli användbar eftersom globala positioneringssystem blir allt mer exakta., Som Müller påpekar, för att bestämma positionen för ett objekt på marken till millimeternoggrannhet skulle atomklockorna på GPS-satelliter behöva arbeta med en precision på 10-17, en siffra som faktiskt nyligen uppnåtts av en klocka som utvecklats vid National Institute of Standards and Technology i USA (se ”New optical clock breaks accuracy record”). Men på satelliternas höjd av 20 000 km kommer sådana klockor att uppleva en snabbare tid på ungefär en del i 1010 tack vare gravitations rödförskjutning., Att återvinna precisionen 10-17 skulle därför kräva att känna till redshift-effekten med en precision på 10-7.
Müller hoppas kunna förbättra noggrannheten i mätningarna av rödförskjutning genom att öka avståndet mellan de två superpositionstillstånden för cesiumatomerna. Det avstånd som uppnåddes i den nuvarande forskningen var bara 0,1 mm, men han säger att genom att öka detta till 1 m bör det vara möjligt att upptäcka gravitationsvågor, miniscule krusningar i rymdtidens tyg som förutspåddes av allmän relativitet men aldrig tidigare observerad.
arbetet beskrivs i naturen 463 926.,