Francouzští fyzici provedli ve výšce 8 500 m experimenty, jejichž účelem bylo porovnat gravitační zrychlení dvou různých kvantových objektů.
Testy realizované na palubě letadla, které letělo po parabolické dráze, však nebyly dost citlivé na to, aby s potřebnou přesností potvrdily odedávna platné přesvědčení, že všechna tělesa padají v daném gravitačním poli stejnou rychlostí (ve vakuu).
Obecná platnost zákona volného pádu je důsledkem principu ekvivalence, který tvoří jeden z pilířů Einsteinovy obecné teorie relativity. Ten stanoví, že setrvačná a gravitační hmotnost jsou stejné, to znamená, že hmoty těles ani jejich vnitřní struktura nemají vliv na jejich zrychlení v gravitačním poli. V důsledku toho se budou dvě tělesa s různými hmotnostmi nebo složením zrychlovat stejně (ve vakuu).
Platnost tohoto zákona byla od dob Galilea, který prováděl experimenty na šikmé věži v Pise, testována s největší přesností v roce 2008 na univerzitě v Seattlu. Tamní fyzici dosáhli hodnoty 1 : 1013.
Fyzici by rádi zvýšili přesnost alespoň o dva řády, to je 1015, protože na této úrovni předpovídají některé teorie za hranicí Standardního modelu částic možnost porušení tohoto zákona. French National Centre for Space Studies (CNES) už proto vyslal na oběžnou dráhu kolem Země misi Micro-Satellite à traînée Compensée pour l'Observation du Principe d'Equivalence (zkratka MICROSCOPE). Jejím cílem je dosáhnout citlivosti kolem 10−15 a zveřejnit první výsledky už začátkem tohoto roku.
MICROSCOPE využívá faktu, že obíhající satelit je ve stavu volného pádu směrem k Zemi. To znamená, že objekty uvnitř satelitu jsou samy ve volném pádu daleko déle než jakákoliv padající hmota na Zemi. Měření zrychlení jsou proto velmi citlivá a dosahují vysoké přesnosti.
Experiment MICROSCOPE i experimenty provedené na univerzitě v Seattlu studují volný pád velkých „klasických objektů“. Nové experimenty, které provedli fyzici na univerzitě v Bordeaux, na rozdíl od nich používají „kvantové objekty“. Jsou to extrémně chladné mraky dvou typů atomů: rubidium-87 a draslík-39. Takové systémy atomů mají před makroskopickými objekty řadu výhod včetně toho, že je vyloučena možnost kontaminace neznámým množstvím nečistot. Spin a ostatní kvantově mechanické vlastnosti atomů se mohou měnit tak, že lze poznat, jestli dochází k porušení principu ekvivalence.
Rubidiové a draslíkové atomy mohou volně padat vlivem gravitace. V průběhu volného pádu je zasáhne laserový paprsek, který působí jako rozdělovač a způsobí, že se vlnový balík rozdělí na dvě části, které současně pokračují po dvou vertikálních drahách. Na konci dráhy vzájemně interferují a přitom se produkují interferenční obrazce. Porovnáním polohy těchto obrazců vytvořených rubidiovými a draslíkovými atomy je možno stanovit, jestli se relativní fázový posuv pro dva různé typy atomů liší. To by totiž znamenalo, že jim bylo uděleno o něco málo se lišící zrychlení.
Už dříve používali fyzici k ověření obecné platnosti zákonů volného pádu interferometry z podchlazených atomů, které měly citlivost kolem 10−8. Tyto experimenty se však prováděly na Zemi. Stejně jako u klasických testů, i v tomto případě je hlavním požadavkem dostat experimenty mimo dosah zemské přitažlivosti, tedy do vesmíru. Francouzští fyzici tento požadavek zatím nahrazují pomocí speciálního letounu. Téměř beztížné podmínky získali na palubě speciálně upraveného airbusu, který patří francouzské letecké společnosti Novespace. Letadlo dosahuje stavu s nulovým „g“ (gravitačním zrychlením) tak, že stoupá pod úhlem 45°, pak ztlumí motory a urychlováno zemskou přitažlivostí padá po parabolické dráze. Včas se znovu obrátí „nosem“ vzhůru a parabolický volný pád opakuje tak dlouho, jak vyžaduje měření.
(Zdroj: Barrett, B. et al. Dual matter-wave
inertial sensors in weightlessness. Nat. Commun. 7, 13786, licence CC BY 4.0)
Francouzští fyzici pracovali na experimentech deset let a během této doby svá zařízení zdokonalovali. Díky tomu mohli provést testy na atomech rubidia-87. V poslední době se jim také podařilo porovnat chování dvou různých typů atomů.
Pro dosažení přesnějších výsledků je zapotřebí redukovat vliv vibrací na palubě letadla. Ty totiž mohou způsobit zrychlení až 0,01 g. Odstranit je také potřeba rychlé otáčky letadla během parabolického letu. Francouzi sice dosáhli poměrně nízké citlivosti 3 x 10−4, nicméně dokázali, že je jejich zařízení vhodné i pro testy v kosmickém prostoru.
Nové testy na začátku tohoto roku mají ukázat, jak by mohl být jednotlivý atom použit pro „inerciální“ navigaci, která představuje kontinuální monitorování zrychlení a rotace tělesa v čase. Zatím se taková navigace skládá ze soustavy gyroskopů. Osa rotujícího setrvačníku gyroskopu zachovává svoji orientaci vůči inerciální souřadné soustavě i tehdy, pokud je gyroskop uzavřen uvnitř pohybujícího se tělesa. Měřením sil vznikajících na ložiscích gyroskopů je možné určit změnu polohy tělesa, aniž by k tomu bylo potřeba jakékoliv interakce s hmotným okolím. Francouzi se také chystají využít vyvinutou technologii na nové kosmické misi Space Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test (STE-QUEST). Kvůli vysokým nákladům na satelit si však na to budeme muset ještě nějakou dobu počkat.
Práce byla publikována v Nature Communications.
Mohlo by vás zajímat:
Spekulace,
nebo revoluce ve fyzice?
Nový
pomocník v medicíně
První
grafenový reproduktor
Fyzikální
„Top Ten“ za rok 2016: Část I