Ovoga puta to je bio gravitacijski crveni pomak dijela Opće relativnosti; a strogost? Iznenađujuće bolji od "jedan-dio-u-100 milijuna"!
Kako su Steven Chu (američki ministar energetike, iako je taj posao obavljen dok je bio na kalifornijskom sveučilištu Berkeley), Holger Müler (Berkeley) i Achim Peters (sveučilište Humboldt u Berlinu) pobijedili prethodni najbolji test gravitacijskog pomicanja (u 1976., koristeći dva atomska sata - jedan na površini Zemlje, a drugi koji se u raketu šalje do visine od 10 000 km), vrtoglavih 10 000 puta?
Iskorištenom dvojnošću i superpozicijom čestica valova u interferometru atoma!
O ovoj cifri
: Shematski prikaz interferometra atoma. Putanja dvaju atoma crtaju se kao funkcije vremena. Atomi se ubrzavaju zbog gravitacije, a oscilatorne linije prikazuju fazno nakupljanje valova materije. Strelice označavaju vremena triju laserskih impulsa. (Ljubaznošću: Priroda).
Gravitacijsko crveno pomicanje neizbježna je posljedica načela ekvivalencije koji je u osnovi opće relativnosti. Načelo ekvivalencije kaže da su lokalni učinci gravitacije jednaki onima koji se nalaze u ubrzanom referentnom okviru. Tako sila sila koju netko osjeti u liftu može biti jednaka zbog ubrzanja podizanja ili gravitacije prema gore. Pulsi svjetla koji se šalju prema gore s sata na podu dizala će se pomaknuti crveno kada se dizalo ubrzava prema gore, što znači da će se pojaviti ovaj sat koji polako otkucava kada se njegovi bljeskovi uspoređuju na stropu dizala s drugim satom. Budući da ne postoji način da se gravitacija i ubrzanje razdvoje, isto će biti i u gravitacijskom polju; drugim riječima, što je veći gravitacijski potez koji doživljava sat, ili što je bliži masivnom tijelu, to će polako otkucavati.
Potvrda ovog efekta potkrepljuje ideju da je gravitacija geometrija - manifestacija zakrivljenosti prostora - jer protok vremena više nije konstantan u svemiru, već varira u skladu s raspodjelom masivnih tijela. Istraživanje ideje zakrivljenosti prostora je važno kad se razlikuju različite teorije kvantne gravitacije, jer postoje neke verzije teorije struna u kojima materija može odgovoriti na nešto drugo osim geometrije prostornog vremena.
Gravitacijsko crveno pomicanje, međutim, kao manifestacija lokalne invariance položaja (ideja da je ishod bilo kojeg negravitacijskog eksperimenta neovisan o tome gdje se i kada u svemiru izvodi) najmanje je potvrđena od tri vrste eksperimenta koji podržavaju princip ekvivalencije. Druga dva - univerzalnost padova i lokalna Lorentzova invarijantnost - provjerena su s preciznošću od 10-13 ili još bolje, dok je gravitacijsko crveno pomicanje prethodno potvrđeno s točnošću od 7 × 10-5.
Peters je 1997. godine upotrijebio laserske tehnike hvatanja koje je razvio Chu kako bi uhvatio cezijeve atome i ohladio ih na nekoliko milijuna stupnjeva K (da bi smanjio njihovu brzinu što je više moguće), a zatim upotrijebio vertikalni laserski snop za dodavanje udarca u vis na atome kako bi se izmjerio gravitacijski slobodni pad.
Chu i Müller re-interpretirali su rezultate tog eksperimenta kako bi dali mjerenje gravitacijskog crvenog pomaka.
U eksperimentu je svaki od atoma bio izložen tri laserska impulsa. Prvi impuls stavio je atom u superpoziciju dvaju jednako vjerojatnih stanja - ili ga je ostavio da uspori, a zatim se srušio na Zemlju, ispod sile gravitacije, ili mu je dao dodatni udarac tako da je dosegao veću visinu prije spuštanja. Drugi impuls je tada primijenjen u pravom trenutku kako bi se atom u drugom stanju brže gurnuo natrag prema Zemlji, uzrokujući da se dvije države superpozicije sastanu na putu prema dolje. U ovom trenutku treći impuls mjerio je interferenciju između ta dva stanja koja je nastala postojanjem atoma kao val, s idejom da bi bilo kakva razlika u gravitacijskom crvenom pomaku koju su doživjele dvije države koje postoje na različnim visinama iznad Zemljine površine očitovala kao promjena relativne faze dva stanja.
Vrlina ovog pristupa je izuzetno visoka frekvencija cezijevog atoma de Broglie vala - nekih 3 × 1025Hz. Iako je tijekom 0,3 s slobodnog pada talas materije na višoj putanji doživio proteklo vrijeme od samo 2 × 10-20s više od valova na donjoj putanji, ogromna frekvencija njihove oscilacije, u kombinaciji sa sposobnošću mjerenja razlike u amplitudi od samo jednog dijela u 1000, značilo je da su istraživači bili u stanju potvrditi gravitacijsko crtanje u smjeni s preciznošću od 7 × 10-9.
Kao što Müller kaže, "Kad bi se vrijeme slobodnog pada proširilo na doba svemira - 14 milijardi godina - vremenska razlika između gornjih i donjih ruta bila bi tek tisućica sekunde, a točnost mjerenja bi biti 60 ps, vrijeme potrebno da svjetlost putuje oko centimetar. "
Müller se nada daljnjem poboljšanju preciznosti mjerenja crvenog pomaka povećanjem udaljenosti između dva stanja superpozicije cezijevih atoma. Udaljenost postignuta u trenutnom istraživanju iznosila je tek 0,1 mm, ali, kaže on, povećanjem toga na 1 m trebalo bi biti moguće detektirati gravitacijske valove, predviđene općom relativnošću, ali koje još uvijek nije direktno opaženo.
Izvori: Svijet fizike; rad je u izdanju Nature, 18. veljače 2010. godine
