Новая техника для точного измерения силы тяжести Земли
Новая методика измерения гравитации использует квантовую природу холодных захваченных атомов. Это гораздо точнее, чем стандартная методика, которая включает в себя отслеживание свободно падающих атомов в вертикальной камере.
Обычно гравитационные эксперименты проводят, опуская предметы в экранированные трубки и измеряя их при помощи инструментов. Например, можно измерить влияние гравитации на атомы, записав, как быстро атомы падают вниз по высоким лоткам.
Эти эксперименты помогают ученым определить различные фундаментальные константы и проверить теорию гравитации Эйнштейна. Однако вертикальные трубки, используемые в экспериментах со свободным падением, трудно изолировать от внешних помех, таких как случайные магнитные поля.
Чтобы преодолеть эту проблему и измерить гравитацию более подробно, физики из Калифорнийского университета в Беркли разработали новую методику измерения гравитации Земли. Вместо того чтобы отслеживать падающие атомы, он использует квантовую природу захваченных атомов для измерения мельчайших изменений гравитационного поля планеты.
Как это работает?
Когда вертикально разделенные группы атомов или материальных волн рекомбинируют, они создают интерференционную картину. Поскольку гравитационная сила, действующая на объект, зависит от высоты над поверхностью Земли (плюс другие параметры, такие как близлежащие массивные объекты, и локальная плотность земной коры), два набора атомов испытывают несколько разные энергии гравитационного потенциала.
Анализируя эту разницу, исследователи могут точно измерить изменения в гравитации Земли.
В этом исследовании ученые охладили группу атомов цезия до 300 нанокельвинов и запустили их в верхнем направлении в пределах небольшой вакуумной камеры. Затем они применили два лазерных луча, чтобы поместить атомы в два пространственно разделенных квантовых состояния суперпозиции.
Атомы были захвачены в течение примерно 20 секунд, а затем позволили упасть. В этот момент вторые лазерные импульсы применяются, чтобы всплыть и помешать атомным волновым пакетам.
Измерив разницу в волново-частичной двойственности (на которую влияет гравитация) между парными атомами, исследователи точно измерили земную гравитацию.
Этот новый метод имеет два основных преимущества перед стандартным методом, использующим свободно падающие атомы:
- Он менее чувствителен к вибрационному шуму.
- В нем используются относительно небольшие устройства: вся установка умещается на скамейке размером 120 на 240 см. Тот же эксперимент, проведенный на свободно падающих атомах, потребовал бы вакуумную систему высотой 500 метров.
Кроме того, для применения этого метода может быть создано портативное устройство для измерения силы тяжести. Это облегчит измерение гравитационного поля Земли в разных местах и поможет выявить залежи полезных ископаемых. Это также может оказаться полезным для физиков, пытающихся понять природу темной материи и других загадочных явлений.