Αυτή τη φορά ήταν το βαρυτικό redshift μέρος της Γενικής Σχετικότητας. και η αυστηρότητα; Ένα εκπληκτικό καλύτερο από ένα μέρος σε 100 εκατομμύρια!
Πώς ο Steven Chu (Υπουργός Ενέργειας των ΗΠΑ, αν και αυτή η εργασία έγινε ενώ ήταν στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ), ο Χόλγκερ Μίλερ (Μπέρκλεϊ) και ο Αχιμ Πέτερς (Πανεπιστήμιο Humboldt στο Βερολίνο) κέρδισαν την προηγούμενη καλύτερη δοκιμή βαρύτητας 1976, χρησιμοποιώντας δύο ατομικά ρολόγια - το ένα στην επιφάνεια της Γης και το άλλο σε υψόμετρο 10.000 χιλιομέτρων σε έναν πύραυλο) από ένα εντυπωσιακό 10.000 φορές;
Με εκμετάλλευση της δυαδικότητας και της υπέρθεσης κυμάτων-σωματιδίων μέσα σε ένα συμβολόμετρο ατόμου!
Σχετικά με αυτό το σχήμα
: Σχηματικό τρόπο λειτουργίας του συμβολομέτρου ατόμων. Οι τροχιές των δύο ατόμων απεικονίζονται ως συναρτήσεις του χρόνου. Τα άτομα επιταχύνονται λόγω της βαρύτητας και οι ταλαντωτικές γραμμές απεικονίζουν τη συσσώρευση φάσης των κυμάτων ύλης. Τα βέλη υποδεικνύουν τους χρόνους των τριών παλμών λέιζερ. (Ευγενική προσφορά: Φύση).
Η μετατόπιση της βαρύτητας είναι μια αναπόφευκτη συνέπεια της αρχής της ισοδυναμίας που βασίζεται στη γενική σχετικότητα. Η αρχή της ισοδυναμίας δηλώνει ότι οι τοπικές επιδράσεις της βαρύτητας είναι ίδιες με αυτές που βρίσκονται σε ένα επιταχυνόμενο πλαίσιο αναφοράς. Έτσι, η προς τα κάτω δύναμη που αισθάνεται κάποιος σε έναν ανελκυστήρα θα μπορούσε να οφείλεται εξίσου στην επιτάχυνση του ανελκυστήρα προς τα πάνω ή στη βαρύτητα. Οι παλμοί φωτός που στέλνονται προς τα πάνω από ένα ρολόι στο πάτωμα του ανελκυστήρα θα μετατοπιστούν με κόκκινο χρώμα όταν ο ανελκυστήρας επιταχύνεται προς τα πάνω, πράγμα που σημαίνει ότι αυτό το ρολόι θα φαίνεται να τρυπά πιο αργά όταν συγκρίνονται οι αναλαμπές του στην οροφή του ανελκυστήρα με ένα άλλο ρολόι. Επειδή δεν υπάρχει τρόπος να ξεχωρίσουμε τη βαρύτητα και την επιτάχυνση, το ίδιο ισχύει και για ένα βαρυτικό πεδίο. Με άλλα λόγια όσο μεγαλύτερη είναι η βαρυτική έλξη που βιώνει ένα ρολόι, ή όσο πιο κοντά είναι σε ένα τεράστιο σώμα, τόσο πιο αργά θα τσεκάρει.
Η επιβεβαίωση αυτού του αποτελέσματος υποστηρίζει την ιδέα ότι η βαρύτητα είναι γεωμετρία - μια εκδήλωση της καμπυλότητας χωροχρόνου - επειδή η ροή του χρόνου δεν είναι πλέον σταθερή σε όλο το σύμπαν αλλά ποικίλλει ανάλογα με την κατανομή των τεράστιων σωμάτων. Η διερεύνηση της ιδέας της καμπυλότητας χωροχρόνου είναι σημαντική κατά τη διάκριση μεταξύ διαφορετικών θεωριών κβαντικής βαρύτητας, επειδή υπάρχουν ορισμένες εκδοχές της θεωρίας χορδών στις οποίες η ύλη μπορεί να ανταποκριθεί σε κάτι διαφορετικό από τη γεωμετρία του χωροχρόνου.
Η βαρυτική μετατόπιση, ωστόσο, ως εκδήλωση της τοπικής αναλλοίωτης θέσης (η ιδέα ότι το αποτέλεσμα οποιουδήποτε μη βαρυτικού πειράματος είναι ανεξάρτητο από το πού και πότε πραγματοποιείται στο σύμπαν) είναι το λιγότερο καλά επιβεβαιωμένο από τους τρεις τύπους πειραμάτων που υποστηρίζουν την αρχή της ισοδυναμίας. Τα άλλα δύο - η καθολικότητα της ελεύθερης πτώσης και της τοπικής αναλογικότητας Lorentz - έχουν επαληθευτεί με ακρίβεια 10-13 ή καλύτερα, ενώ η βαρυτική μετατόπιση είχε προηγουμένως επιβεβαιωθεί μόνο με ακρίβεια 7 × 10-5.
Το 1997 ο Peters χρησιμοποίησε τεχνικές παγίδευσης λέιζερ που αναπτύχθηκαν από τον Chu για να συλλάβει άτομα καισίου και να τα ψύξει σε μερικά εκατοστά του βαθμού Κ (προκειμένου να μειώσει την ταχύτητα τους όσο το δυνατόν περισσότερο) και στη συνέχεια χρησιμοποίησε μια κάθετη δέσμη λέιζερ για να μεταδώσει ένα ανοδικό λάκτισμα στα άτομα προκειμένου να μετρηθεί η βαρυτική ελεύθερη πτώση.
Τώρα, οι Chu και Müller έχουν ερμηνεύσει εκ νέου τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος για να δώσουν μια μέτρηση της βαρυτικής αλλαγής.
Στο πείραμα κάθε ένα από τα άτομα εκτέθηκε σε τρεις παλμούς λέιζερ. Ο πρώτος παλμός έβαλε το άτομο σε μια υπέρθεση δύο εξίσου πιθανών καταστάσεων - είτε αφήνοντάς το μόνο του για επιβράδυνση και στη συνέχεια πέφτει πίσω στη Γη κάτω από το τράβηγμα της βαρύτητας, ή δίνοντάς του ένα επιπλέον λάκτισμα έτσι ώστε να φτάσει σε μεγαλύτερο ύψος πριν κατεβεί. Στη συνέχεια εφαρμόστηκε ένας δεύτερος παλμός τη σωστή στιγμή για να σπρώξει το άτομο στη δεύτερη κατάσταση πιο γρήγορα προς τη Γη, αναγκάζοντας τις δύο καταστάσεις υπέρθεσης να συναντηθούν στο δρόμο προς τα κάτω. Σε αυτό το σημείο ο τρίτος παλμός μέτρησε την παρεμβολή μεταξύ αυτών των δύο καταστάσεων που προκλήθηκε από την ύπαρξη του ατόμου ως κύμα, με την ιδέα ότι οποιαδήποτε διαφορά στη μετατόπιση της βαρύτητας όπως βιώνουν οι δύο καταστάσεις που υπάρχουν σε ύψη διαφοράς πάνω από την επιφάνεια της Γης θα ήταν εμφανής ως μια αλλαγή στη σχετική φάση των δύο καταστάσεων.
Η αρετή αυτής της προσέγγισης είναι η εξαιρετικά υψηλή συχνότητα του κύματος de Broglie ενός ατόμου καισίου - περίπου 3 × 1025Ηζ. Αν και κατά τη διάρκεια των 0,3 δευτερολέπτων της ελεύθερης πτώσης, τα κύματα της ύλης στην υψηλότερη τροχιά αντιμετώπισαν χρόνο που έχει παρέλθει μόλις 2 × 10-20Περισσότερο από τα κύματα της κάτω τροχιάς, η τεράστια συχνότητα της ταλάντωσης τους, σε συνδυασμό με την ικανότητα μέτρησης των διαφορών πλάτους ενός μόνο μέρους στα 1000, σήμαινε ότι οι ερευνητές μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν τη μετατόπιση της βαρύτητας με ακρίβεια 7 × 10-9.
Όπως το λέει ο Müller, «Εάν ο χρόνος της ελεύθερης πτώσης επεκταθεί στην ηλικία του σύμπαντος - 14 δισεκατομμύρια χρόνια - η διαφορά ώρας μεταξύ των άνω και κάτω διαδρομών θα ήταν μόνο το ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου και η ακρίβεια της μέτρησης θα ήταν να είναι 60 ps, ο χρόνος που χρειάζεται για να ταξιδέψει το φως περίπου ένα εκατοστό. "
Ο Müller ελπίζει να βελτιώσει περαιτέρω την ακρίβεια των μετρήσεων της ερυθράς αλλαγής αυξάνοντας την απόσταση μεταξύ των δύο καταστάσεων υπέρθεσης των ατόμων καισίου. Η απόσταση που επιτεύχθηκε στην τρέχουσα έρευνα ήταν μόλις 0,1 mm, αλλά, λέει, αυξάνοντας αυτό σε 1 m θα πρέπει να είναι δυνατή η ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων, που προβλέπονται από τη γενική σχετικότητα, αλλά δεν έχουν ακόμη παρατηρηθεί άμεσα.
Πηγές: Κόσμος Φυσικής; η εφημερίδα είναι στο τεύχος της Φύσης στις 18 Φεβρουαρίου 2010
