Овога пута то је био део гравитационог црвеног померања Опште релативности; а строгост? Запањујуће боље од броја једног у 100 милиона!
Како су Стевен Цху (амерички секретар за енергетику, иако је тај посао обављен док је био на калифорнијском Универзитету Беркелеи), Холгер Мулер (Беркелеи) и Ацхим Петерс (Хумболдт универзитет у Берлину) победили претходни најбољи тест гравитационог црвеног померања (у 1976, користећи два атомска сата - један на површини Земље, а други који је ракетом послан до надморске висине од 10 000 км), вртоглавих 10 000 пута?
Искоришћеном дуалношћу и суперпозицијом таласних честица унутар интерферометра атома!
О овој цифри
: Шема начина на који ради интерферометар атома. Путања два атома су приказана као функције времена. Атоми се убрзавају захваљујући гравитацији, а осцилаторне линије приказују фазно нагомилавање таласа материје. Стрелице означавају времена три ласерска импулса. (Љубазно: Природа).
Гравитациони црвени помак неизбежна је последица принципа еквиваленције који је у основи опште релативности. Принцип еквиваленције каже да су локални ефекти гравитације једнаки онима који се налазе у убрзаном референтном оквиру. Тако сила сила која је осетио неко у лифту може бити подједнако услед убрзања уздизања или гравитације према горе. Импулси светлости који се шаљу према горе с сата на поду дизала ће се поново померити када се лифт убрзава нагоре, што значи да ће се појавити овај сат који полако откуцава када се његови блицеви упореде на плафону лифта са другим сатом. Будући да не постоји начин да се гравитација и убрзање раздвоје, исто ће бити и у гравитационом пољу; другим речима, што је већи гравитациони потез који доживљава сат, или што је ближе масивном телу, то ће полако откуцавати.
Потврда овог ефекта поткрепљује идеју да је гравитација геометрија - манифестација закривљености простора - јер проток времена више није константан у свемиру, већ варира у складу са дистрибуцијом масивних тела. Истраживање идеје закривљености простора је важно приликом разликовања различитих теорија квантне гравитације, јер постоје неке верзије теорије струна у којима материја може да одговори на нешто друго осим геометрије просторног времена.
Гравитацијско црвено померање, међутим, као манифестација локалне инваријанције положаја (идеја да је исход било ког негравитационог експеримента независно од места где и када се у универзуму изводи) најмање потврђена од три врсте експеримента које подржавају принцип еквиваленције. Друге две - универзалност падова и локална Лорентзова инваријантност - проверене су са тачно 10-13 или још боље, док је гравитационо црвено померање претходно потврђено само са прецизношћу од 7 × 10-5.
Године 1997. Петерс је користио ласерске технике хватања хвата које је развио Цху да би ухватио атоме цезијума и охладио их на неколико милиона степени К (да би смањио њихову брзину што је више могуће), а затим је користио вертикални ласерски зрак да изврши ударац у правцу нагоре на атоме како би се измерио гравитациони пад.
Цху и Муллер су поново интерпретирали резултате тог експеримента како би извршили мерење гравитационог црвеног померања.
У експерименту је сваки од атома био изложен три ласерска импулса. Први импулс ставио је атом у суперпозицију два подједнако вероватна стања - или га остављајући да се успори, а затим падне назад на Земљу под притиском гравитације, или му додајући додатни ударац тако да достигне већу висину пре силаска. Други импулс је тада примењен у правом тренутку како би се атом у другом стању брже вратио ка Земљи, узрокујући да се две суперпозицијске државе састану на путу према доле. У овом тренутку трећи импулс је мерео интерференцију између ова два стања која је настала постојањем атома као талас, при чему је идеја да би било каква разлика у гравитационом црвеном померању каква су доживела два стања која постоје на различним висинама изнад Земљине површине испољавала као промена релативне фазе двеју држава.
Врлина овог приступа је изузетно велика фреквенција цезијевог атома де Брогли-таласа - неких 3 × 1025Хз. Иако је током 0,3 с слободног пада талас материје на вишој путањи доживио протекло вријеме од само 2 × 10-20с више од таласа на доњој путањи, огромна фреквенција њихове осцилације, у комбинацији са способношћу да се мере амплитудне разлике од само једног дела у 1000, значило је да су истраживачи били у стању да потврде гравитационо померање цртежа са прецизношћу од 7 × 10-9.
Као што Муллер каже, „Кад би се време слободног пада проширило на доба свемира - 14 милијарди година - временска разлика између горњих и доњих рута била би само хиљаду секунде, а тачност мерења би бити 60 пс, потребно време да се светлост креће око центиметар. "
Муллер се нада да ће побољшати прецизност мерења црвеног померања повећавајући растојање између два стања суперпозиције цезијевих атома. Растојање постигнуто у садашњем истраживању износило је свега 0,1 мм, али, каже, повећањем овог нивоа на 1 м требало би бити могуће детектовати гравитационе таласе, предвиђене опћом релативношћу, али које још увек није директно посматрано.
Извори: Свет физике; рад је у издању Натуре за 18. фебруар 2010. године
