Исследователи впервые измеряют кривизну пространства-времени с помощью «атомного фонтана»
Согласно теории относительности Эйнштейна, гравитация — это не сила, а проявление кривизны пространства-времени. Гравитационное постоянство было впервые измерено британским физиком Генри Кавендишем в 1797 году; более двух веков спустя группа исследователей из Стэнфордского университета объявила, что им впервые удалось измерить кривизну пространства-времени с помощью атомных фонтанов.
Содержание статьи:
Общая теория относительности предсказывает, что часы, идущие с разными скоростями, идут с разной скоростью или с разной скоростью. Это явление известно как релятивистское замедление. При определенных условиях это замедление времени может влиять на фазу квантовых волновых колебаний. Этот эффект можно измерить с помощью экспериментов по интерферометрии. Этому посвящено исследование Криса Аберстрата и его коллег с кафедры физики Стэнфордского университета, результаты которого только что были опубликованы в журнале Science.
Используя атомный фонтан в качестве интерферометра, исследователи смогли наблюдать сдвиг фазы между двумя пакетами атомных волн из-за замедления времени. «Помимо важности результатов в области фундаментальной физики, использованный метод может привести к более точным измерениям вечной ньютоновской гравитации», — говорит Альберт Рулла из Института квантовых технологий при Германском аэрокосмическом центре в сопроводительной статье.
Фазовый сдвиг, вызванный замедлением времени
Этот эксперимент по атомной интерферометрии основан на фундаментальных принципах квантовой механики. Это дуализм волновой части. Это означает, что частица может проявлять свойства волны, и наоборот, волна может вести себя как частица. Исходя из этого принципа, используемые здесь атомы действуют как «волновые мешки», которые могут накладываться друг на друга и вызывать интерференцию. Поэтому атомная интерферометрия может измерять небольшие разности фаз, поскольку атомы по-разному перемещаются по плечу интерферометра (в данном случае атомного фонтана).
Читайте также: Исследователи открыли совершенно новую форму водяного льда
Изучая поведение воды при очень высоком давлении, команда из Университета Невады в Лас-Вегасе (UNLV) обнаружила новую форму ICE под названием..
Атомный фонтан состоит из башни высотой 10 метров, в которой находится вакуумная труба, на которую с помощью лазера проецируется атомное облако. Достигнув вершины трубы, атомы попадают под влияние гравитационного поля Земли. Для этого эксперимента исследователи прикрепили к вершине фонтана вольфрамовое кольцо (весом около 1 кг).
Лазерный импульс использовался для проецирования снизу облака атомов рубидиана, которые разделялись на два волновых пакета. Оба достигли разной высоты, и второй импульс опустил их; третий импульс содержал волновые пакеты, которые захватили атомы на дне фонтана. Они были вне фазы, что говорит о том, что гравитационное поле атомного фонтана не является полностью однородным.
Гравитационный эффект Ааронова-Бома
Согласно теории относительности, гравитационное притяжение, наблюдаемое между массами, обусловлено искажениями пространства и времени, вызванными этими массами. Эксперименты, проведенные Овертодом и его командой, показали, что восходящие атомы находятся ближе к массе вольфрама и поэтому испытывают большее ускорение, что приводит к небольшим сдвигам во времени между этими атомами. Эти фазовые сдвиги вызваны замедлением времени, таким образом, время замедляется ближе к более крупному объекту.
Эксперимент также показал, что эффект Ааронова-Бима может быть применен к гравитации: эффект Ааронова-Бима — это квантово-механическое явление, при котором электромагнитный потенциал воздействует на электрически заряженные частицы, но ограничен областью, где магнитное и электрическое поля равны нулю. В атомном фонтане, несмотря на то, что электроны двигались по собственным орбитам, пересекаясь над и под устройством, и магнитное поле в ячейке, магнитные силы не действовали, но смещение магнитного поля все же наблюдалось.
Команда также отметила, что оптические интерферометры, используемые в настоящее время для обнаружения гравитационных волн (LIGO и Virgo), в один прекрасный день могут быть заменены. Эти устройства, гигантские интерферометры Майкельсона, используют зеркала, отражающие лазерные лучи на расстоянии нескольких километров, чтобы обнаружить мельчайшие изменения в пространстве-времени.1 0-18 метров. Однако атомная интерферометрия может быть еще более чувствительной. Атомная интерферометрия может быть использована для обнаружения гравитационных волн и поможет нам ориентироваться лучше, чем GPS», — говорят исследователи.
