Tällä kertaa se oli painovoimainen punaisen siirtymän osa yleisessä suhteellisuudessa; ja tiukat? Hämmästyttävä parempi kuin yksi-osa-100-miljoonainen!
Kuinka Steven Chu (Yhdysvaltain energiaministeri, vaikka tämä työ tehtiin ollessaan Kalifornian Berkeleyn yliopistossa), Holger Müler (Berkeley) ja Achim Peters (Humboldt University of Berlin) ylittivät edellisen parhaan painovoimaisen punasuunnan testin (vuonna 2011) 1976, käyttämällä kahta atomikelloa - yksi maapallon pinnalla ja toinen lähetettiin 10 000 km: n korkeuteen raketissa) porrastamalla 10 000 kertaa?
Hyödyntämällä aaltohiukkasten kaksinaisuutta ja superpositioitumista atomien interferometrissä!
Tietoja tästä luvusta
: Kaavio atomiinterferometrin toiminnasta. Kahden atomin radat on piirretty ajan funktioiksi. Atomit kiihtyvät painovoiman vuoksi ja värähtelevät viivat kuvaavat aaltojen vaiheakkumulaatiota. Nuolet osoittavat kolmen laserpulssin ajat. (Kohteliaisuus: Luonto).
Painovoimainen punasiirtymä on väistämätön seuraus vastaavuusperiaatteesta, joka on yleisen suhteellisuustekijän perustana. Vastaavuusperiaatteen mukaan painovoiman paikalliset vaikutukset ovat samat kuin nopeutetussa viitekehyksessä ollessa. Joten alaspäin suuntautuva voima, jonka joku tuntee hississä, voi johtua yhtä hyvin hissin kiihtyvyydestä ylöspäin tai painovoimasta. Hissin lattiakellosta ylöspäin lähetettävät valopulssit siirtyvät punaisesti, kun hissi kiihtyy ylöspäin, mikä tarkoittaa, että kello näyttää tikittyvän hitaammin, kun sen välähdyksiä verrataan hissin kattoon toiseen kelloon. Koska gravitaatiota ja kiihtyvyyttä ei voida erottaa toisistaan, sama pätee painovoimakenttään; toisin sanoen mitä suurempi kellon kokema painovoimaveto on, tai mitä lähempänä se on massiivista vartaloa, sitä hitaammin se tikkee.
Tämän vaikutuksen vahvistaminen tukee ajatusta, että painovoima on geometriaa - avaruuden ajan kaarevuuden ilmentymä -, koska ajan virtaus ei ole enää vakio koko maailmankaikkeudessa, vaan vaihtelee massiivisten kappaleiden jakauman mukaan. Avaruusalueen kaarevuuden ajatuksen selvittäminen on tärkeää, kun erotamme kvanttigravitaation eri teorioita, koska on olemassa joitain jousuteorian versioita, joissa aine voi vastata johonkin muuhun kuin avaruuden ajan geometriaan.
Painovoimainen punasiirtymä kuitenkin paikallisen sijaintiinvarianssin osoituksena (ajatus siitä, että minkä tahansa ei-gravitaatiokokeen tulos on riippumaton siitä missä ja milloin universumissa se suoritetaan) on heikoimmin vahvistettu kolmesta koetyypistä, jotka tuetaan vastaavuusperiaatetta. Kaksi muuta - vapautumisen universaaliisuus ja paikallinen Lorentzin invarianssi - on varmistettu tarkkuuksilla 10-13 tai parempi, kun taas painovoiman punasiirtymä oli aiemmin vahvistettu vain 7 x 10 tarkkuudella-5.
Peters käytti vuonna 1997 Chun kehittämiä lasersieppaustekniikoita cesiumatomien sieppaamiseksi ja niiden jäähdyttämiseksi muutamiin miljoonasosiin asteesta K (niiden nopeuden vähentämiseksi niin paljon kuin mahdollista), ja sitten käytti pystysuoraa lasersädettä antaakseen ylöspäin potkun. atomiin mittaamaan painovoiman vapautumista.
Nyt Chu ja Müller ovat tulkineet uudelleen kokeen tuloksia mitataksesi painovoiman punasiirtymää.
Kokeessa kukin atomeista altistettiin kolmella laserpulssilla. Ensimmäinen pulssi asetti atomin kahden yhtä todennäköisen tilan superpositioon - joko jättämällä sen yksin hidastumaan ja laskemaan sitten takaisin maan päälle painovoiman vetäessä, tai antamalla sille ylimääräisen potkun, jotta se saavutti suuremman korkeuden ennen laskeutumista. Sitten annettiin toinen pulssi juuri oikeaan aikaan, jotta työntäisiin toisessa tilassa oleva atomi nopeammin takaisin kohti maata, jolloin kaksi superpositiotilaa kohtaavat matkalla alas. Tässä vaiheessa kolmas pulssi mittasi atomien olemassaolon aiheuttaman häiriön näiden kahden tilan välillä aallona, ajatuksena oli, että kaikki gravitaation punasiirtymän erot, jotka kokevat kaksi tilaa, jotka ovat olemassa maapallon pinnan yläpuolella korkeuseroilla, ilmenevät muutos kahden tilan suhteellisessa vaiheessa.
Tämän lähestymistavan hyve on cesiumatomin de Broglie-aallon erittäin korkea taajuus - noin 3 × 1025Hz. Vaikka vapauden putoamisen aikana 0,3 s, aallon korkealla radalla kokenut kulunut aika oli vain 2 × 10-20Sitä enemmän kuin alemman radan aallot tekivät, niiden värähtelyn valtava taajuus yhdistettynä kykyyn mitata amplitudierot vain yhdestä osasta tuhannesta tarkoitti, että tutkijat pystyivät vahvistamaan painovoiman punasiirtymän tarkkuudella 7 × 10-9.
Kuten Müller toteaa, ”Jos vapautumisen aikaa pidennettäisiin maailmankaikkeuden ikään - 14 miljardiin vuoteen -, ylemmän ja alemman reitin välinen aikaero olisi vain sekunnin tuhannesosa, ja mittauksen tarkkuus olisi olla 60 ps, aika, jonka valo kulkee senttimetrin matkalla. ”
Müller toivoo parantavansa edelleen punasiirtymien tarkkuutta lisäämällä cesiumatomien kahden superpositiotilan etäisyyttä. Nykyisessä tutkimuksessa saavutettu etäisyys oli vain 0,1 mm, mutta, hänen mukaansa, nostamalla tätä 1 metriin, pitäisi olla mahdollista havaita painovoima-aallot, yleisen suhteellisuussuhteen ennustaman, mutta joita ei vielä ole havaittu suoraan.
Lähteet: Fysiikan maailma; Lehti on 18. helmikuuta 2010 ilmestyvässä Nature-lehdessä
