21 января 2022

Исследователи впервые измеряют кривизну пространства-времени с помощью "атомного фонтана"

Согласно Общей теории относительности, гравитация — это не сила, а проявление искривления пространства-времени. Гравитационная постоянная впервые была измерена в 1797 году британским физиком Генри Кавендишем с помощью крутильных весов. Более двух столетий спустя группа исследователей из Стэнфордского университета объявляет, что им впервые удалось измерить кривизну пространства-времени с помощью атомного фонтана.

Общая теория относительности предсказывает, что часы, движущиеся с разными скоростями или находящиеся в разных областях гравитационного поля, идут с разной скоростью, это явление известно как релятивистское замедление времени. При определенных условиях это замедление времени может повлиять на фазу колебаний квантовых волн — эффект, который можно измерить с помощью экспериментов по интерферометрии. Этому посвящено исследование Криса Оверстрита и его коллег с кафедры физики Стэнфордского университета, результаты которого только что были опубликованы в журнале Science. Используя атомный фонтан в качестве интерферометра, исследователям удалось наблюдать сдвиг фазы между двумя атомными волновыми пакетами из-за замедления времени.

"Помимо важности полученных результатов для фундаментальной физики, используемые методы могут привести к более точным измерениям гравитационной постоянной Ньютона", — указывает Альберт Рура из Института квантовых технологий при Германском аэрокосмическом центре в сопроводительной статье. 

Этот эксперимент по атомной интерферометрии основан на фундаментальном принципе квантовой механики: двойственности волна-частица, который означает, что частица может иногда проявлять волновые свойства и, наоборот, что волна может вести себя как частица. Исходя из этого принципа, используемые здесь атомы могут вести себя как "волновые пакеты", которые могут накладываться друг на друга и создавать интерференцию. Таким образом, атомная интерферометрия позволяет измерять крошечные разности фаз, когда атомы движутся разными путями через плечи интерферометра (в данном случае атомного фонтана).

Атомный фонтан состоит из башни высотой 10 метров, содержащей вакуумную трубу, в которой облако атомов проецируется вверх с помощью лазеров. Достигнув верха трубки, атомы падают вниз под действием гравитационного поля Земли. В этом эксперименте исследователи прикрепили кольцо из вольфрама (массой около одного килограмма) к вершине фонтана.

Используя лазерный импульс, они спроецировали снизу облако атомов рубидия, разделенное на два волновых пакета; оба достигли разной высоты, после чего второй импульс опустил их вниз. Третий импульс захватил атомы на дне фонтана, чтобы рекомбинировать их волновые пакеты: они оказались вне фазы, что говорит о том, что гравитационное поле в атомном фонтане не было полностью однородным.

Согласно теории относительности, гравитационное притяжение, наблюдаемое между массами, вызвано искажением пространства и времени, вызываемым этими массами. В эксперименте, проведенном Оверстритом и его командой, атомы, поднявшиеся выше, оказались ближе к массе вольфрама и поэтому испытали большее ускорение, что привело к небольшому сдвигу во времени между этими атомами и теми, которые поднялись не так высоко; эти фазовые сдвиги были вызваны замедлением времени, которое заставляет время течь медленнее вблизи массивных объектов.

Этот эксперимент также показал, что эффект Ааронова-Бома применим и к гравитации. Эффект Ааронова-Бома — это квантово-механическое явление, при котором на электрически заряженную частицу воздействует электромагнитный потенциал, хотя она ограничена областью, в которой магнитное и электрическое поля равны нулю. В атомном фонтане электроны, движущиеся по своим собственным траекториям вверх и вниз по инструменту, пересекались, и, несмотря на магнитное поле в камере, на них не действовала магнитная сила, но все же наблюдалось смещение магнитного поля, отмечают исследователи.

Команда также отмечает, что их подход может в один прекрасный день заменить оптические интерферометры (LIGO и Virgo), которые в настоящее время используются для обнаружения гравитационных волн. Эти приборы, представляющие собой гигантские интерферометры Майкельсона, используют зеркала, отражающие лазерные лучи на расстоянии нескольких километров, для обнаружения мельчайших изменений в пространстве-времени, которые проявляются в виде крошечных изменений расстояния между зеркалами, порядка 10-18 метров. Но атомная интерферометрия может оказаться еще более чувствительной.

"Атомная интерферометрия однажды может быть использована для обнаружения гравитационных волн и поможет нам ориентироваться лучше, чем GPS", — говорят исследователи.