Deze keer was het het gravitatie-roodverschuivingsgedeelte van Algemene Relativiteit; en de strengheid? Een verbazingwekkende beter dan een deel van 100 miljoen!
Hoe versloeg Steven Chu (Amerikaanse minister van Energie, hoewel dit werk werd gedaan terwijl hij aan de University of California Berkeley was), Holger Müler (Berkeley) en Achim Peters (Humboldt University in Berlijn) de vorige beste gravitationele roodverschuivingstest (in 1976, met behulp van twee atoomklokken - een op het aardoppervlak en de andere die tot een hoogte van 10.000 km in een raket wordt gestuurd) door maar liefst 10.000 keer?
Door gebruik te maken van dualiteit en superpositie van golfdeeltjes binnen een atoominterferometer!
Over deze figuur
: Schematische weergave van hoe de atoominterferometer werkt. De trajecten van de twee atomen zijn uitgezet als functies van tijd. De atomen versnellen door de zwaartekracht en de oscillerende lijnen geven de fase-accumulatie van de materiegolven weer. Pijlen geven de tijden van de drie laserpulsen aan. (Hoffelijkheid: natuur).
Gravitatie-roodverschuiving is een onvermijdelijk gevolg van het gelijkwaardigheidsbeginsel dat ten grondslag ligt aan de algemene relativiteitstheorie. Het gelijkwaardigheidsbeginsel stelt dat de lokale effecten van zwaartekracht dezelfde zijn als die van een versneld referentiekader. Dus de neerwaartse kracht die iemand in een lift voelt, kan evengoed het gevolg zijn van een opwaartse versnelling van de lift of van de zwaartekracht. Lichtpulsen die van een klok op de liftvloer naar boven worden gestuurd, worden roodgeschakeld wanneer de lift omhoog accelereert, wat betekent dat deze klok langzamer lijkt te tikken wanneer de flitsen worden vergeleken bij het plafond van de lift met een andere klok. Omdat er geen manier is om zwaartekracht en versnelling van elkaar te onderscheiden, zal hetzelfde gelden in een zwaartekrachtveld; met andere woorden: hoe groter de aantrekkingskracht van een klok, of hoe dichter deze bij een massief lichaam is, hoe langzamer het zal tikken.
Bevestiging van dit effect ondersteunt het idee dat zwaartekracht geometrie is - een manifestatie van kromming van de ruimtetijd - omdat de stroom van tijd niet langer constant is door het hele universum, maar varieert afhankelijk van de verdeling van massieve lichamen. Het verkennen van het idee van ruimtetijdkromming is belangrijk bij het onderscheiden van verschillende theorieën over kwantumzwaartekracht, omdat er enkele versies van snaartheorie zijn waarin materie kan reageren op iets anders dan de geometrie van ruimtetijd.
Gravitatie-roodverschuiving als een manifestatie van lokale positie-invariantie (het idee dat de uitkomst van een niet-zwaartekrachtsexperiment onafhankelijk is van waar en wanneer in het universum het wordt uitgevoerd) is echter het minst goed bevestigd van de drie soorten experimenten die het gelijkwaardigheidsbeginsel ondersteunen. De andere twee - de universaliteit van vrije val en lokale Lorentz-invariantie - zijn geverifieerd met precisie van 10-13 of beter, terwijl de zwaartekracht-roodverschuiving voorheen slechts was bevestigd met een nauwkeurigheid van 7 × 10-5.
In 1997 gebruikte Peters door Chu ontwikkelde laservangtechnieken om cesiumatomen te vangen en af te koelen tot een paar miljoensten van een graad K (om hun snelheid zoveel mogelijk te verminderen), en vervolgens gebruikte hij een verticale laserstraal om een opwaartse trap te geven aan de atomen om de zwaartekracht vrije val te meten.
Nu hebben Chu en Müller de resultaten van dat experiment opnieuw geïnterpreteerd om een meting te geven van de zwaartekracht roodverschuiving.
In het experiment werden elk van de atomen blootgesteld aan drie laserpulsen. De eerste puls plaatste het atoom in een superpositie van twee even waarschijnlijke toestanden - ofwel liet het het alleen achter om te vertragen en viel vervolgens terug naar de aarde onder de zwaartekracht, of gaf het een extra trap zodat het een grotere hoogte bereikte voordat het afdaalde. Vervolgens werd op het juiste moment een tweede puls aangelegd om het atoom in de tweede toestand sneller terug naar de aarde te duwen, waardoor de twee superpositietoestanden elkaar onderweg tegenkwamen. Op dit punt mat de derde puls de interferentie tussen deze twee toestanden die werd veroorzaakt door het bestaan van het atoom als een golf, met het idee dat elk verschil in zwaartekracht-roodverschuiving zoals ervaren door de twee staten die op verschillende hoogten boven het aardoppervlak bestaan, zich zou manifesteren als een verandering in de relatieve fase van de twee staten.
De verdienste van deze benadering is de extreem hoge frequentie van een cesiumatoom de Broglie-golf - ongeveer 3 × 1025Hz. Hoewel tijdens de vrije val van 0,3 s de materiegolven op het hogere traject een verstreken tijd van slechts 2 × 10 ervoeren-20s meer dan de golven op het lagere traject deden, de enorme frequentie van hun oscillatie, gecombineerd met het vermogen om amplitudeverschillen van slechts één deel in 1000 te meten, betekende dat de onderzoekers de zwaartekracht roodverschuiving konden bevestigen met een precisie van 7 × 10-9.
Zoals Müller het zegt: "Als de tijd van vrije val werd verlengd tot de leeftijd van het universum - 14 miljard jaar - zou het tijdsverschil tussen de bovenste en onderste routes slechts een duizendste van een seconde zijn, en de nauwkeurigheid van de meting zou 60 ps zijn, de tijd die het licht nodig heeft om ongeveer een centimeter te reizen. ”
Müller hoopt de precisie van de roodverschuivingsmetingen verder te verbeteren door de afstand tussen de twee superpositietoestanden van de cesiumatomen te vergroten. De afstand die in het huidige onderzoek is bereikt was slechts 0,1 mm, maar hij zegt dat door deze te verhogen tot 1 m het mogelijk zou moeten zijn om zwaartekrachtsgolven te detecteren, voorspeld door algemene relativiteit maar nog niet direct waargenomen.
Bronnen: Physics World; het artikel staat in het nummer van 18 februari 2010 van Nature
