Kali ini adalah bahagian pergeseran merah graviti Relativiti Umum; dan ketegasan? Lebih baik daripada satu bahagian dalam 100 juta!
Bagaimana Steven Chu (Setiausaha Tenaga AS, walaupun kerja ini dilakukan semasa dia berada di University of California Berkeley), Holger Müler (Berkeley), dan Achim Peters (Humboldt University di Berlin) mengalahkan ujian pergeseran graviti terbaik sebelumnya (dalam 1976, menggunakan dua jam atom - satu di permukaan Bumi dan yang lain dihantar hingga ketinggian 10.000 km dalam roket) oleh 10.000 kali mengejutkan?
Dengan memanfaatkan dualitas dan superposisi zarah gelombang dalam interferometer atom!
Mengenai angka ini
: Skematik bagaimana interferometer atom beroperasi. Lintasan kedua atom ini digambarkan sebagai fungsi masa. Atom-atom berpecah kerana graviti dan garis ayunan menggambarkan pengumpulan fasa gelombang jirim. Anak panah menunjukkan masa tiga denyutan laser. (Kesopanan: Alam).
Pergeseran merah graviti adalah akibat yang tidak dapat dielakkan dari prinsip kesetaraan yang mendasari kerelatifan umum. Prinsip kesetaraan menyatakan bahawa kesan graviti tempatan adalah sama dengan kesan dalam kerangka rujukan yang dipercepat. Jadi daya ke bawah yang dirasakan oleh seseorang di dalam lif dapat sama disebabkan oleh pecutan ke atas atau ke graviti. Denyutan cahaya yang dihantar ke atas dari jam di lantai lif akan dialihkan warna apabila lif memecut ke atas, yang bermaksud bahawa jam ini akan kelihatan lebih perlahan apabila kilatannya dibandingkan di siling lif ke jam yang lain. Kerana tidak ada cara untuk membezakan graviti dan pecutan, hal yang sama akan berlaku dalam medan graviti; dengan kata lain semakin besar tarikan graviti yang dialami oleh jam, atau semakin dekat dengan badan yang besar, semakin perlahan ia akan berdetik.
Pengesahan kesan ini menyokong idea bahawa graviti adalah geometri - manifestasi kelengkungan ruang-masa - kerana aliran masa tidak lagi berterusan di seluruh alam semesta tetapi berbeza mengikut taburan jisim besar. Meneroka idea kelengkungan ruang-masa adalah penting ketika membezakan antara teori graviti kuantum yang berbeza kerana terdapat beberapa versi teori rentetan di mana jirim dapat bertindak balas terhadap sesuatu yang lain daripada geometri ruang masa.
Pergeseran merah graviti, bagaimanapun, sebagai manifestasi invarians kedudukan tempatan (idea bahawa hasil dari sebarang eksperimen bukan graviti tidak bergantung dari mana dan kapan di alam semesta ia dijalankan) adalah yang paling tidak disahkan dari tiga jenis eksperimen yang menyokong prinsip kesetaraan. Dua yang lain - kesejagatan bebas dan invarian Lorentz tempatan - telah disahkan dengan ketepatan 10-13 atau lebih baik, sedangkan pergeseran merah graviti sebelumnya telah disahkan hanya dengan ketepatan 7 × 10-5.
Pada tahun 1997, Peters menggunakan teknik perangkap laser yang dikembangkan oleh Chu untuk menangkap atom cesium dan menyejukkannya hingga beberapa juta darjah K (untuk mengurangkan halaju mereka sebanyak mungkin), dan kemudian menggunakan sinar laser menegak untuk memberikan tendangan ke atas ke atom untuk mengukur penurunan graviti.
Sekarang, Chu dan Müller telah menafsirkan semula hasil eksperimen itu untuk memberi pengukuran perubahan arah graviti.
Dalam eksperimen masing-masing atom terdedah kepada tiga denyutan laser. Nadi pertama meletakkan atom ke dalam superposisi dua keadaan yang sama besar - sama ada membiarkannya sendiri untuk melambatkan dan kemudian jatuh kembali ke Bumi di bawah tarikan graviti, atau memberikan tendangan tambahan sehingga mencapai ketinggian yang lebih besar sebelum turun. Nadi kedua kemudian diterapkan pada saat yang tepat sehingga mendorong atom dalam keadaan kedua kembali lebih cepat ke arah Bumi, menyebabkan kedua-dua keadaan superposisi bertemu dalam perjalanan ke bawah. Pada titik ini nadi ketiga mengukur gangguan antara dua keadaan yang disebabkan oleh keberadaan atom sebagai gelombang, dengan gagasan bahawa apa-apa perbezaan dalam pergeseran merah graviti seperti yang dialami oleh dua keadaan yang ada pada ketinggian perbezaan di atas permukaan Bumi akan nyata sebagai perubahan dalam fasa relatif kedua negeri.
Kebaikan pendekatan ini adalah frekuensi gelombang de Broglie atom cesium yang sangat tinggi - sekitar 3 × 1025Hz. Walaupun selama 0.3 s bebas, gelombang jirim di lintasan yang lebih tinggi mengalami masa yang berlalu hanya 2 × 10-20Lebih banyak daripada gelombang pada lintasan bawah, frekuensi ayunan mereka yang sangat besar, digabungkan dengan kemampuan untuk mengukur perbezaan amplitud hanya satu bahagian dalam 1000, bermakna para penyelidik dapat mengesahkan peralihan merah graviti dengan ketepatan 7 × 10-9.
Seperti yang dinyatakan oleh Müller, "Jika waktu jatuh bebas dilanjutkan ke usia alam semesta - 14 miliar tahun - perbezaan waktu antara jalan atas dan bawah hanya seperseribu detik, dan ketepatan pengukuran akan menjadi 60 ps, masa yang diperlukan untuk cahaya bergerak sekitar satu sentimeter. "
Müller berharap dapat meningkatkan lagi ketepatan pengukuran pergeseran merah dengan meningkatkan jarak antara dua keadaan superposisi atom cesium. Jarak yang dicapai dalam penyelidikan semasa hanya 0.1 mm, tetapi, katanya, dengan meningkatkan ini menjadi 1 m, mungkin untuk mengesan gelombang graviti, yang diramalkan oleh relativiti umum tetapi belum diamati secara langsung.
Sumber: Dunia Fizik; makalah ini terdapat dalam edisi Alam 18 Februari 2010
