Denne gangen var det den gravitasjonsrøde forskyvningsdelen av generell relativitet; og strengheten? En forbausende bedre-enn-en-del-i-100 millioner!
Hvordan gjorde Steven Chu (USAs energiminister, selv om dette arbeidet ble utført mens han var ved University of California Berkeley), Holger Müler (Berkeley), og Achim Peters (Humboldt University i Berlin) slo den forrige beste gravitasjonsrødskiftestesten (i 1976, ved hjelp av to atomur - en på overflaten av jorden og den andre sendt opp til en høyde på 10.000 km i en rakett) av en svimlende 10.000 ganger?
Ved å utnytte bølgepartikkel dualitet og superposisjon i et atominterferometer!
Om dette tallet
: Skjematisk over hvordan atominterferometeret fungerer. Banene til de to atomene er tegnet som tidsfunksjoner. Atomene akselererer på grunn av tyngdekraften, og oscillerende linjer skildrer faseakkumuleringen av materiebølgene. Pilene indikerer tidspunktene for de tre laserpulsene. (Høflighet: Natur).
Gravitasjonsrødskift er en uunngåelig konsekvens av ekvivalensprinsippet som ligger til grunn for generell relativitet. Ekvivalensprinsippet sier at de lokale virkningene av tyngdekraften er de samme som å være i en akselerert referanseramme. Så den nedadgående kraften som kjennes av noen i en heis, kan på samme måte skyldes en oppadgående akselerasjon av heisen eller på grunn av tyngdekraften. Lysimpulser sendt oppover fra en klokke på heisgulvet vil bli forskjøvet når heisen akselererer oppover, noe som betyr at denne klokken ser ut til å tikke saktere når blinkene blir sammenlignet i taket på heisen med en annen klokke. Fordi det ikke er noen måte å skille tyngdekraften og akselerasjonen fra hverandre, vil det samme gjelde i et gravitasjonsfelt; med andre ord, jo større gravitasjonstrekk man opplever av en klokke, eller jo nærmere den er en massiv kropp, jo saktere vil den tikke.
Bekreftelse av denne effekten støtter ideen om at tyngdekraften er geometri - en manifestasjon av romtidskrumning - fordi tidsstrømmen ikke lenger er konstant i hele universet, men varierer i henhold til fordelingen av massive legemer. Å utforske ideen om romtidskurvatur er viktig når man skiller mellom forskjellige teorier om kvantetyngdekraft fordi det er noen versjoner av strengteori der materie kan svare på noe annet enn geometrien i romtid.
Gravitasjonsrødskift, men som en manifestasjon av lokal posisjonsinvarians (ideen om at utfallet av et ikke-gravitasjonseksperiment er uavhengig av hvor og når i universet det gjennomføres) er den minst godt bekreftede av de tre typene eksperiment som støtte ekvivalensprinsippet. De to andre - universaliteten til fritt fall og lokal Lorentz invariance - er bekreftet med presisjoner på 10-13 eller bedre, mens gravitasjonsrødskift tidligere hadde blitt bekreftet bare med en presisjon på 7 × 10-5.
I 1997 benyttet Peters laserfangsteknikker utviklet av Chu for å fange opp cesiumatomer og avkjøle dem til noen milliondeler av en grad K (for å redusere hastigheten så mye som mulig), og brukte deretter en vertikal laserstråle for å gi et oppover spark til atomene for å måle gravitasjonsfritt fall.
Nå har Chu og Müller tolket resultatene fra det eksperimentet for å gi en måling av gravitasjonsrødskiftet.
I eksperimentet ble hvert av atomene utsatt for tre laserpulser. Den første pulsen plasserte atomet i en superposisjon av to like sannsynlige tilstander - enten å forlate det alene for å bremse opp og deretter falle ned igjen til Jorden under tyngdekraften, eller gi det et ekstra spark slik at det nådde en større høyde før den gikk ned. En annen puls ble deretter påført i akkurat det rette øyeblikket for å skyve atomet i den andre tilstanden raskere tilbake mot Jorden, noe som fikk de to superposisjonstilstandene til å møtes på vei ned. På dette tidspunktet målte den tredje pulsen interferensen mellom disse to tilstandene forårsaket av atoms eksistens som en bølge, idet ideen var at enhver forskjell i gravitasjonsrødskift som oppleves av de to tilstandene som eksisterer i forskjellshøyder over jordoverflaten, ville være manifest som en endring i den relative fasen av de to statene.
Dyden med denne tilnærmingen er den ekstremt høye frekvensen av et cesiumatom's de Broglie-bølgen - omtrent 3 × 1025Hz. Selv om i løpet av 0,3 sekunders fritt fall opplevde materiebølgene på den høyere banen en forløpt tid på bare 2 × 10-20mer enn bølgene på nedre bane gjorde, den enorme frekvensen av deres svingning, kombinert med evnen til å måle amplitudeforskjeller på bare en del i 1000, gjorde at forskerne var i stand til å bekrefte gravitasjonsrødskift til en presisjon på 7 × 10-9.
Som Müller uttrykker det: "Hvis tiden for fritt fall ble utvidet til universets alder - 14 milliarder år - ville tidsforskjellen mellom de øvre og nedre ruter bare være en promille av sekundet, og målingens nøyaktighet ville være 60 ps, tiden det tar for lys å reise rundt en centimeter. ”
Müller håper å forbedre presisjonen for rødskiftmålingene ytterligere ved å øke avstanden mellom de to superposisjonstilstandene til cesiumatomer. Avstanden oppnådd i den nåværende forskningen var bare 0,1 mm, men, sier han, ved å øke dette til 1 m, burde det være mulig å oppdage gravitasjonsbølger, forutsagt av generell relativitet, men ennå ikke direkte observert.
Kilder: Physics World; papiret er i 18. februar 2010-utgaven av Nature
