Den här gången var det den gravitationella rödförskjutningsdelen av den allmänna relativiteten; och strängheten? En häpnadsväckande bättre-än-en-del-i-100 miljoner!
Hur gjorde Steven Chu (USA: s energiminister, även om detta arbete gjordes medan han var på University of California Berkeley), Holger Müler (Berkeley) och Achim Peters (Humboldt University i Berlin) slog tidigare bästa gravitationsrödskiftstest (i 1976, med två atomklockor - en på jordens yta och den andra skickas upp till en höjd av 10.000 km i en raket) av en häpnadsväckande 10 000 gånger?
Genom att utnyttja vågpartikeldualitet och superposition i en atominterferometer!
Om den här siffran
: Schematisk över hur atominterferometern fungerar. Banorna för de två atomerna är ritade som tidsfunktioner. Atomerna accelererar på grund av tyngdkraften och de svängande linjerna beskriver fasansamlingen av materievågorna. Pilarna anger tiden för de tre laserpulserna. (Tillstånd: Natur).
Gravitationsrödskift är en oundviklig konsekvens av likvärdighetsprincipen som ligger till grund för allmän relativitet. Ekvivalensprincipen säger att de lokala effekterna av tyngdkraften är desamma som att vara i en accelererad referensram. Så den nedåtgående kraften som kännas av någon i en hiss kan på samma sätt bero på en uppåt acceleration av hissen eller tyngdkraften. Ljusimpulser som skickas uppåt från en klocka på hissgolvet kommer att skiftas om när hissen accelererar uppåt, vilket innebär att den här klockan ser ut att kryssa långsammare när dess blinkningar jämförs vid hissens tak med en annan klocka. Eftersom det inte finns något sätt att dela ut tyngdkraften och accelerationen, kommer samma att gälla i ett gravitationsfält; med andra ord, desto större den gravitationella dragningen som en klocka upplever, eller ju närmare den är en massiv kropp, desto långsammare kommer den att kryssa.
Bekräftelse av denna effekt stöder idén att tyngdkraften är geometri - en manifestation av rymdtidens krökning - eftersom tidsflödet inte längre är konstant i hela universum utan varierar beroende på fördelningen av massiva kroppar. Att utforska idén om rymdtidskröning är viktigt när man skiljer mellan olika teorier om kvanttyngd eftersom det finns vissa versioner av strängteori där materien kan svara på något annat än geometri för rymdtid.
Gravitationsrödförskjutning, emellertid, som ett manifestation av lokal positionskänsla (tanken att resultatet av ett icke-gravitationsexperiment är oberoende av var och när i universumet det genomförs) är den minst bekräftade av de tre typerna av experiment som stödja ekvivalensprincipen. De andra två - universaliteten i fritt fall och lokal Lorentz-invarians - har verifierats med precisionsnivåer av 10-13 eller bättre, medan gravitationsrödförskjutning tidigare bekräftats endast till en precision av 7 × 10-5.
1997 använde Peters laserfångningstekniker utvecklade av Chu för att fånga cesiumatomer och kyla dem till några miljoner delar av en grad K (för att minska deras hastighet så mycket som möjligt), och använde sedan en vertikal laserstråle för att ge en kick uppåt till atomerna för att mäta gravitationsfritt fall.
Nu har Chu och Müller tolkat resultaten av det experimentet för att ge en mätning av gravitationsrödskiftet.
I experimentet exponerades var och en av atomerna för tre laserpulser. Den första pulsen placerade atomen i en superposition av två lika troliga tillstånd - antingen lämnade den ensam för att retardera och sedan falla tillbaka till jorden under tyngdkraftens drag, eller ge den en extra kick så att den nådde en högre höjd innan den sjönk ner. En andra puls applicerades sedan i precis rätt ögonblick för att pressa atomen i det andra tillståndet snabbare tillbaka mot Jorden, vilket fick de två superpositionstillstånden att träffas på väg ner. Vid denna tidpunkt mätte den tredje pulsen interferensen mellan dessa två tillstånd som åstadkoms av atomens existens som en våg, idén var att någon skillnad i gravitationsrödförskjutning som upplevs av de två tillstånden som finns i skillnadshöjder över jordytan skulle vara uppenbar som en förändring i den relativa fasen för de två tillstånden.
Fördelen med detta tillvägagångssätt är den extremt höga frekvensen för en Cesiumatom's de Broglie-vågen - cirka 3 × 1025Hz. Även om under 0,3 s av fritt fall upplevde materievågorna på den högre banan en förfluten tid på bara 2 × 10-20s mer än vågorna på den nedre banan gjorde, den enorma frekvensen för deras svängning, i kombination med förmågan att mäta amplitudskillnader på bara en del av 1000, gjorde att forskarna kunde bekräfta gravitationsrödskift till en precision av 7 × 10-9.
Som Müller uttrycker det: "Om tiden för fritt fall förlängdes till universums ålder - 14 miljarder år - skulle tidsskillnaden mellan de övre och nedre vägarna vara bara en tusendels sekund och mätnoggrannheten skulle vara 60 ps, den tid det tar för ljus att resa cirka en centimeter. ”
Müller hoppas kunna ytterligare förbättra precisionen för rödförskjutningsmätningarna genom att öka avståndet mellan de två superpositionstillstånden på cesiumatomerna. Avståndet som uppnåtts i den aktuella forskningen var bara 0,1 mm, men, säger han, genom att öka detta till 1 m borde det vara möjligt att upptäcka gravitationsvågor, förutsagda av allmän relativitet men ännu inte direkt observerats.
Källor: Physics World; tidningen finns i 18 februari 2010-numret av Nature
