De data aceasta a fost partea gravitațională redshift a Relativității Generale; și de strictețe? O uimitoare mai bună decât o parte-în-100 de milioane!
Cum a reușit Steven Chu (secretarul american al Energiei, deși această lucrare a fost în timp ce el a fost la Universitatea din California Berkeley), Holger Müler (Berkeley) și Achim Peters (Universitatea Humboldt din Berlin) au bătut cel mai bun test de redshift gravitațional anterior (în 1976, folosind două ceasuri atomice - unul pe suprafața Pământului și celălalt trimis până la o altitudine de 10.000 km într-o rachetă) de către un uluitor de 10.000 de ori?
Prin exploatarea dualității undă-particule și a superpoziției în interiorul unui interferometru atomic!
Despre această cifră
: Schema modului în care funcționează interferometrul cu atom. Traiectoriile celor doi atomi sunt reprezentate ca funcții ale timpului. Atomii se accelerează datorită gravitației, iar liniile oscilatorii ilustrează acumularea în fază a undelor materiei. Săgețile indică timpii celor trei impulsuri laser. (Curtoazie: natură).
Redshift-ul gravitațional este o consecință inevitabilă a principiului echivalenței care stă la baza relativității generale. Principiul echivalenței afirmă că efectele locale ale gravitației sunt aceleași cu cele ale unui cadru accelerat de referință. Deci forța descendentă simțită de cineva într-un ascensor se poate datora în egală măsură unei accelerații ascendente a ascensorului sau a gravitației. Impulsurile de lumină trimise în sus de la un ceas de pe podeaua ascensorului vor fi redescalate atunci când ascensorul se accelerează în sus, ceea ce înseamnă că acest ceas pare să bifeze mai încet atunci când sclipirile sale sunt comparate la tavanul ascensorului cu un alt ceas. Deoarece nu există nici o modalitate de a distinge gravitația și accelerația, același lucru va fi valabil într-un câmp gravitațional; cu alte cuvinte, cu cât este mai mare atracția gravitațională experimentată de un ceas sau cu cât este mai aproape de un corp masiv, cu atât mai lent va bifa.
Confirmarea acestui efect susține ideea că gravitația este geometria - o manifestare a curburii spațiului temporal - deoarece fluxul de timp nu mai este constant în întregul univers, ci variază în funcție de distribuția corpurilor masive. Explorarea ideii de curbură a spațiului este importantă atunci când se face distincția între diferite teorii ale gravitației cuantice, deoarece există unele versiuni ale teoriei șirurilor în care materia poate răspunde la altceva decât la geometria spațiului.
Redshift-ul gravitațional, totuși, ca o manifestare a invarianței de poziție locală (ideea că rezultatul oricărui experiment non-gravitațional este independent de locul și când în univers se realizează) este cel mai puțin bine confirmat dintre cele trei tipuri de experiment care susține principiul echivalenței. Celelalte două - universalitatea căderii libere și invarianța locală Lorentz - au fost verificate cu precizii de 10-13 sau mai bine zis, în timp ce redshift-ul gravitațional a fost confirmat anterior doar cu o precizie de 7 × 10-5.
În 1997, Peters a folosit tehnici de captare cu laser dezvoltate de Chu pentru a capta atomii de cesiu și a le răci la câteva milioane de grade K (pentru a reduce viteza lor cât mai mult posibil), apoi a folosit un fascicul laser vertical pentru a da o lovitură ascendentă la atomi pentru a măsura căderea liberă gravitațională.
Acum, Chu și Müller au reinterpretat rezultatele acelui experiment pentru a da o măsurare a redshift-ului gravitațional.
În experiment, fiecare dintre atomi a fost expus la trei impulsuri laser. Primul impuls a plasat atomul într-o superpoziție de două stări la fel de probabile - fie lăsându-l singur să se decelereze și apoi să cadă înapoi pe Pământ, sub atragerea gravitației, fie să îi dea o lovitură suplimentară, astfel încât să atingă o înălțime mai mare înainte de a coborî. Un al doilea impuls a fost apoi aplicat la momentul potrivit, astfel încât să împingă atomul în a doua stare înapoi mai repede spre Pământ, determinând să se întâlnească cele două stări de superpoziție pe coborâre. În acest moment, cel de-al treilea impuls a măsurat interferența dintre aceste două stări provocate de existența atomului ca undă, ideea fiind că orice diferență de redshift gravitațional, așa cum este experimentată de cele două state existente la înălțimi de diferență deasupra suprafeței Pământului, se va manifesta ca o schimbare în faza relativă a celor două state.
În virtutea acestei abordări este frecvența extrem de mare a undei de Broglie a unui atom de cesiu - aproximativ 3 × 1025Hz. Deși în timpul celor 0,3 s de cădere liberă, undele de materie pe traiectoria superioară au cunoscut un timp scurs de doar 2 × 10-20s, mai mult decât valurile de pe traiectoria inferioară, frecvența enormă a oscilației lor, combinată cu capacitatea de a măsura diferențele de amplitudine dintr-o singură parte din 1000, a însemnat că cercetătorii au putut confirma redshift-ul gravitațional la o precizie de 7 × 10-9.
După cum afirmă Müller, „Dacă timpul căderii libere s-ar extinde la vârsta universului - 14 miliarde de ani - diferența de timp între rutele superioare și cele inferioare ar fi doar o mie de secundă și exactitatea măsurării ar fi să fie 60 ps, timpul necesar ca lumina să călătorească aproximativ un centimetru. ”
Müller speră să îmbunătățească în continuare precizia măsurătorilor redshift prin creșterea distanței dintre cele două stări de superpoziție ale atomilor de cesiu. Distanța obținută în cercetarea curentă a fost de doar 0,1 mm, dar, spune el, prin creșterea acesteia la 1 m ar trebui să fie posibilă detectarea undelor gravitaționale, prezise de relativitate generală, dar care nu sunt încă observate direct.
Surse: Lumea fizicii; lucrarea este în numărul 18 februarie 2010 al Naturii
