Новый способ измерения силы тяжести

Дата публикации: 13 ноября 2019

Наблюдая за тем, как ведут себя атомы, когда они зависают в воздухе, а не в свободном падении, физики придумали новый способ измерения силы тяжести Земли, - пишет sciencenews.org.

Традиционно ученые измеряют влияние гравитации на атомы, отслеживая, как быстро атомы падают вниз по высоким желобам. Такие эксперименты могут помочь проверить теорию гравитации Эйнштейна и точно измерить фундаментальные константы. Но трубки длиной в метры, используемые в экспериментах со свободным падением, могут быть громоздкими, и их трудно защитить от помех окружающей среды, таких как магнитные поля рассеяния. С помощью новой настольной установки физики могут измерить силу гравитации Земли, наблюдая за атомами, подвешенными на пару миллиметров в воздухе с помощью лазерного излучения.

Этот метод может лучше исследовать гравитационные силы, создаваемые маленькими объектами. Также он может быть использован для измерения небольших гравитационных изменений в разных местах мира, что может помочь при картировании морского дна или поисках нефти и минералов под землей.

Физик Виктория Сюй и ее коллеги из Университета Калифорнии в Беркли запускали облако атомов цезия в воздух и использовали вспышки света для разделения каждого атома в состояние суперпозиции. В этом странном квантовом подвешенном состоянии каждый атом существует в двух местах одновременно: одна версия атома колеблется на несколько микрометров выше другой. Затем команда Сюй захватила эти расщепленные атомы цезия в воздухе светом лазера.

Измерение силы тяжести с помощью атомов, которые удерживаются на месте, а не тянутся вниз гравитационным полем, требует использования дуальности волн и частиц атомов. Этот квантовый эффект означает, что подобно тому, как световые волны могут действовать как частицы, называемые фотонами, атомы могут действовать как волны. И для каждого атома цезия, попавшего в суперпозицию, более высокая версия волны атома волнообразно движется немного быстрее, чем ее более низкая коллега, из-за немного различного положения атомов в гравитационном поле Земли. Отслеживая, как быстро волнистость двух версий атома не синхронизируется, физики могут рассчитать силу гравитации Земли в этом месте.

Физик Алан Джемисон из Массачусетского Технологического Института считает, что новая техника позволит проводить более контролируемые измерения. «Трудно работать над экспериментами с каплей, когда у вас есть 10-метровая башня, - говорит он. – От магнитного поля трудно защититься, и окружающая среда производит их повсюду - все электрические системы в здании и так далее. Работа в меньшем объеме позволяет избежать этих экологических шумов».

По словам соавтора исследования Хольгера Мюллера, более компактное оборудование может также измерять гравитационные эффекты с меньшего радиуса действия. «Допустим, вы не хотите измерять гравитацию всей Земли, но вы хотите измерить гравитацию маленькой вещи, такой как мрамор, - говорит он. - Нам просто нужно положить мрамор близко к нашим атомам [и удерживать его там]. В традиционной установке свободного падения атомы проводят очень короткое время рядом с нашим мрамором - миллисекунды - и мы получаем очень слабый сигнал».

Физик Кай Бонс из Университета Бирмингема в Англии представляет себе использование атомного гравиметра нового типа для исследования природы темной материи или проверки фундаментального аспекта теории гравитации Эйнштейна, называемого принципом эквивалентности. Многие объединенные теории физики предлагали согласовать квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна, которые несовместимы, так или иначе нарушают принцип эквивалентности. «Поэтому поиск нарушений может привести нас к великой единой теории, - говорит он. - Это один из Святых Граалей в физике».

Поделиться: