هذه المرة كان جزء الانزياح الأحمر الجاذبي للنسبية العامة. والصرامة؟ مذهل أفضل من جزء في 100 مليون!
كيف استطاع ستيفن تشو (وزير الطاقة الأمريكي ، على الرغم من أن هذا العمل قد تم أثناء وجوده في جامعة كاليفورنيا بيركلي) وهولغر مولر (بيركلي) وأكيم بيترز (جامعة هومبولت في برلين) التغلب على أفضل اختبار انزياح أحمر للجاذبية (في 1976 ، باستخدام ساعتين ذريتين - إحداهما على سطح الأرض والأخرى مرسلة إلى ارتفاع 10000 كيلومتر في صاروخ) بمعدل مذهل 10000 مرة؟
من خلال استغلال ازدواجية جسيم الموجة والتراكب داخل مقياس التداخل الذري!
حول هذا الرقم
: رسم تخطيطي لكيفية عمل مقياس التداخل الذري. يتم رسم مسارات الذرتين كدالة للوقت. تتسارع الذرات بسبب الجاذبية وتصور الخطوط التذبذبية تراكم الطور لموجات المادة. تشير الأسهم إلى أوقات نبضات الليزر الثلاثة. (مجاملة: الطبيعة).
الانزياح الأحمر الثقالي هو نتيجة حتمية لمبدأ التكافؤ الذي يقوم عليه النسبية العامة. ينص مبدأ التكافؤ على أن التأثيرات المحلية للجاذبية هي نفس التأثيرات الموجودة في إطار مرجعي معجل. لذا فإن القوة الهابطة التي يشعر بها شخص ما في المصعد يمكن أن تكون بالتساوي بسبب التسارع التصاعدي للرفع أو الجاذبية. سيتم تحويل نبضات الضوء المرسلة لأعلى من ساعة على أرضية المصعد إلى اللون الأحمر عندما يتسارع المصعد إلى الأعلى ، مما يعني أن هذه الساعة ستظهر ببطء أكثر عند مقارنة ومضاتها عند سقف المصعد بساعة أخرى. لأنه لا توجد طريقة للتمييز بين الجاذبية والتسارع ، سيصدق الشيء نفسه في مجال الجاذبية ؛ وبعبارة أخرى ، كلما زادت قوة الجاذبية التي تمر بها الساعة ، أو كلما اقتربت من جسم ضخم ، كلما كانت العلامة ببطء أكثر.
يدعم تأكيد هذا التأثير فكرة أن الجاذبية هي هندسة - مظهر من مظاهر انحناء الزمكان - لأن تدفق الوقت لم يعد ثابتًا في جميع أنحاء الكون ولكنه يختلف وفقًا لتوزيع الأجسام الضخمة. من المهم استكشاف فكرة انحناء الزمكان عند التمييز بين النظريات المختلفة للجاذبية الكمية لأن هناك بعض إصدارات نظرية الأوتار التي يمكن أن تستجيب فيها المادة لشيء آخر غير هندسة الزمكان.
ومع ذلك ، فإن الانزياح الأحمر للجاذبية كمظهر لتغير الموقف المحلي (فكرة أن نتيجة أي تجربة غير جاذبية مستقلة عن مكان ومتى يتم تنفيذها في الكون) هي الأقل تأكيدًا جيدًا للأنواع الثلاثة من التجربة التي دعم مبدأ التكافؤ. تم التحقق من الاثنين الآخرين - عالمية السقوط الحر وثبات لورنتز المحلي - بدقة 10-13 أو أفضل ، في حين أن الانزياح الأحمر الثقالي قد تم تأكيده مسبقًا بدقة 7 × 10 فقط-5.
في عام 1997 ، استخدم بيترز تقنيات الاصطياد بالليزر التي طورها Chu لالتقاط ذرات السيزيوم وتبريدها إلى بضعة ملايين من الألف من الدرجة K (من أجل تقليل سرعتها قدر الإمكان) ، ثم استخدم شعاع ليزر رأسي لإضفاء ركلة صاعدة إلى الذرات من أجل قياس السقوط الحر للجاذبية.
الآن ، أعاد تشو ومولر تفسير نتائج تلك التجربة لإعطاء قياس للانزياح الأحمر الثقالي.
في التجربة تعرضت كل من الذرات لثلاث نبضات ليزر. وضعت النبضة الأولى الذرة في تراكب حالتين محتملين بنفس القدر - إما تركها وحدها لتتباطأ ثم تتراجع إلى الأرض تحت قوة الجاذبية ، أو تعطيها ركلة إضافية بحيث تصل إلى ارتفاع أكبر قبل الهبوط. ثم تم تطبيق نبضة ثانية في اللحظة المناسبة فقط لدفع الذرة في الحالة الثانية مرة أخرى بشكل أسرع نحو الأرض ، مما تسبب في تلاقي حالتين من التراكب في الطريق لأسفل. عند هذه النقطة ، قامت النبضة الثالثة بقياس التداخل بين هاتين الحالتين الناتج عن وجود الذرة كموجة ، والفكرة هي أن أي اختلاف في الانزياح الأحمر الثقالي كما اختبرته الحالتان الموجودتان عند ارتفاعات مختلفة فوق سطح الأرض سيكون واضحًا على أنه تغيير في المرحلة النسبية للدولتين.
فضيلة هذا النهج هو التردد العالي للغاية لموجة de Broglie لسيزيوم السيزيوم - حوالي 3 × 1025هرتز. على الرغم من أنه خلال 0.3 ثانية من السقوط الحر ، شهدت موجات المادة على المسار الأعلى وقتًا منقضيًا يبلغ 2 × 10 فقط-20أكثر من الموجات على المسار السفلي ، التردد الهائل لتذبذبها ، مقترنًا بالقدرة على قياس اختلافات السعة لجزء واحد فقط في 1000 ، يعني أن الباحثين كانوا قادرين على تأكيد الانزياح الأحمر الثقالي إلى دقة 7 × 10-9.
كما يقول مولر ، "إذا امتد وقت السقوط الحر إلى عمر الكون - 14 مليار سنة - سيكون الفارق الزمني بين المسارين العلوي والسفلي مجرد ألف جزء من الثانية ، وستكون دقة القياس 60 ps ، وهو الوقت الذي يستغرقه الضوء في السفر حول سنتيمتر واحد. "
يأمل مولر في زيادة تحسين دقة قياسات الانزياح الأحمر عن طريق زيادة المسافة بين حالتين تراكب ذرات السيزيوم. كانت المسافة التي تم تحقيقها في البحث الحالي مجرد 0.1 ملم ، ولكن ، من خلال زيادة هذا إلى 1 متر ، يجب أن يكون من الممكن الكشف عن موجات الجاذبية ، التي تنبأت بها النسبية العامة ولكن لم يتم ملاحظتها مباشرة بعد.
المصادر: عالم الفيزياء. الورقة في عدد 18 فبراير 2010 من الطبيعة
