Denne gang var det den tyngdekraftige rødskift del af den generelle relativitet; og stringensen? En forbløffende bedre-end-en-del-i-100 millioner!
Hvordan gjorde Steven Chu (USAs energiminister, skønt dette arbejde blev udført, mens han var på University of California Berkeley), Holger Müler (Berkeley), og Achim Peters (Humboldt University i Berlin) slog den tidligere bedste tyngdepunkt redshift-test (i 1976 ved hjælp af to atomur - en på jordoverfladen og den anden sendt op til en højde på 10.000 km i en raket) af en svimlende 10.000 gange?
Ved at udnytte bølgepartikeldualitet og superposition i et atominterferometer!
Om dette tal
: Skematisk over, hvordan atominterferometeret fungerer. Bane for de to atomer er afbildet som tidsfunktioner. Atomerne accelererer på grund af tyngdekraften, og de svingende linier skildrer faseakkumuleringen af stofbølgerne. Pilene angiver tidspunkterne for de tre laserimpulser. (Høflighed: Natur).
Tyngdepunktskifte er en uundgåelig konsekvens af ækvivalensprincippet, der ligger til grund for generel relativitet. Ækvivalensprincippet siger, at de lokale virkninger af tyngdekraften er de samme som ved at være i en accelereret referenceramme. Så den nedadgående kraft, der føles af en person i en lift, kan ligeledes skyldes en opadgående acceleration af liften eller tyngdekraften. Lysimpulser, der sendes opad fra et ur på liftgulvet, vil blive forskudt, når liften accelererer opad, hvilket betyder, at dette ur ser ud til at kryde langsommere, når dens blinker sammenlignes i løftets loft med et andet ur. Fordi der ikke er nogen måde at adskille tyngdekraften og accelerationen fra hinanden, vil det samme gælde i et gravitationsfelt; med andre ord, jo større det tyngdepunkt, der opleves af et ur, eller jo tættere det er på en massiv krop, jo langsommere vil det tikke.
Bekræftelse af denne effekt understøtter tanken om, at tyngdekraften er geometri - en manifestation af rumtidskrumning - fordi tidsstrømmen ikke længere er konstant i hele universet, men varierer afhængigt af fordelingen af massive kroppe. At udforske ideen om rumtidskrumning er vigtig, når man skelner mellem forskellige teorier om kvantetyngdekraft, fordi der er nogle versioner af strengteori, hvor stof kan reagere på noget andet end geometrien i rumtid.
Gravitationsrødskift, men som en manifestation af lokal positionskvalitet (ideen om, at resultatet af ethvert ikke-gravitationseksperiment er uafhængigt af hvor og hvornår i universet det udføres) er den mindst godt bekræftede af de tre typer eksperiment, der støtte ækvivalensprincippet. De to andre - universalitet i frit fald og lokal Lorentz invariance - er verificeret med præcisioner på 10-13 eller bedre, mens gravitationsrødskift tidligere kun var blevet bekræftet med en præcision på 7 × 10-5.
I 1997 brugte Peters laserfangsteknikker udviklet af Chu til at fange cæsiumatomer og afkøle dem til et par milliondele af en grad K (for at reducere deres hastighed så meget som muligt) og brugte derefter en lodret laserstråle til at give et opadgående kick til atomerne for at måle gravitationsfrit fald.
Nu har Chu og Müller fortolket resultaterne af dette eksperiment for at give en måling af gravitationsrødskiftet.
I eksperimentet blev hvert af atomer udsat for tre laserpulser. Den første puls placerede atomet i en superposition af to lige sandsynlige tilstande - enten lader det være alene for at retardere og derefter falde tilbage til Jorden under tyngdekraftens træk, eller give det et ekstra spark, så det nåede en større højde, før den faldt ned. En anden puls blev derefter påført på lige det rigtige tidspunkt for at skubbe atomet i den anden tilstand hurtigere tilbage mod Jorden, hvilket fik de to superpositionstilstande til at mødes på vej ned. På dette tidspunkt målte den tredje puls interferensen mellem disse to tilstande, som atomets eksistens medførte som en bølge, idet ideen var, at enhver forskel i gravitationsrødskift, som de to tilstande, der findes i forskelhøjder over jordoverfladen, ville blive manifesteret som en ændring i den relative fase af de to stater.
Dyden med denne tilgang er den ekstremt høje frekvens af et cæsiumatoms De Broglie-bølge - ca. 3 × 1025Hz. Skønt i løbet af 0,3 sek. Af frit fald oplevede materiebølgerne på den højere bane en forløbet tid på kun 2 × 10-20s mere end bølgerne på den nedre bane gjorde, den enorme frekvens af deres svingning kombineret med evnen til at måle amplitudeforskelle på kun en del i 1000, betød, at forskerne var i stand til at bekræfte gravitationsrødskift til en præcision på 7 × 10-9.
Som Müller udtrykker det, "Hvis frit faldstid blev forlænget til universets alder - 14 milliarder år - ville tidsforskellen mellem de øvre og nedre ruter kun være en tusindedel af et sekund, og målingens nøjagtighed ville være 60 ps, den tid det tager for lys at rejse cirka en centimeter. ”
Müller håber at forbedre præcisionen for rødskiftmålingerne yderligere ved at øge afstanden mellem de to superpositionstilstande af cæsiumatomer. Afstanden opnået i den aktuelle forskning var kun 0,1 mm, men, siger han, ved at øge dette til 1 m skulle det være muligt at registrere gravitationsbølger, der er forudsagt af generel relativitet, men endnu ikke er direkte observeret.
Kilder: Fysikverden; papiret er i udgaven af 18. februar 2010 af Nature
