Fyzici použili interferometrii k detekování velmi malých slapových sil a zjistili, jak tyto síly působí na jednotlivé atomy vystavené lokálnímu magnetickému poli. Podařilo se tak změřit zakřivení prostoročasu ve velmi malých rozměrech. Navíc jde nejspíš o první měření gravitace v kvantově mechanickém systému. Měření nepřináší výsledky jen pro teoretické fyziky, ale může mít i řadu uplatnění, například vylepšit metody hledání různých minerálů nebo dokonce i nafty.
Slapové síly vznikají díky konečným rozměrům vzájemně se přitahujících objektů. Když je jedno těleso přitahováno ke druhému, bude větší přitažlivá síla na straně, která je druhému tělesu nejbližší, než na straně odvrácené. Měsíc, náš nejbližší vesmírný soused, k sobě silněji přitahuje ty oceány na Zemi, které jsou k němu nejblíže. Na povrchu oceánu vznikne slabé vyboulení a v důsledku i silný příliv.
Američtí fyzici ze Stanfordu měřili velmi malé slapové síly, které vznikají, když jednotlivé atomy padají v přítomnosti sousedního masivního objektu. Cílem bylo zjistit vliv zakřivení prostoročasu na vlnové funkce atomů. Slapové síly jsou totiž přímo úměrné tomuto zakřivení. Experimenty měly odpovědět na otázku, jestli by gravitace mohla narušovat kvantovou koherenci. Kvantová koherence znamená určitý stupeň sladění vlnových funkcí dvou nebo více mikroskopických objektů. Vlny se pak shodují ve frekvenci, fázi a směru kmitání.
Tým použil atomový interferometr – zařízení, které využívá principu vlnově-částicové duality k velmi přesnému měření zrychlení. Stejně jako v případě optického interferometru dochází k rozštěpení vlnové funkce částice. Obě poloviny se šíří po různých dráhách a následně tyto separované vlny rekombinují. Přitom se zjistí, jestli se relativní fáze vln podél dráhy změnila či ne.
Skupina ze Stanfordu proháněla podchlazené rubidiové atomy desetimetrovou trubicí směrem vzhůru a potom vysílala přesně nastavenou sérii laserových pulzů na atomy, které padaly zpět k zemi. Tyto pulzy působily jako ekvivalent děliče svazku, zrcadel a dalších komponent optického interferometru. Pokud se vlna skládá z více harmonických postupných vln různých frekvencí (není monofrekvenční), tyto vlny vytvářejí skupiny, kterým se říká vlnový balík. Vlnové balíky jednotlivých atomů byly rozděleny tak, že dvě části se šíří do různých interferometrů umístěných ve vzdálenosti 30 cm. Jeden z interferometrů byl nainstalován v blízkosti 84 kg olova. Tímto interferometrem procházel jeden dílčí, přibližně 10 cm široký vlnový balík. Právě tento interferometr měl sloužit k prokázání přítomnosti slapových sil. Jiný interferometr, který byl mimo gravitační oblast olova, byl určen jako referenční a jeho úkolem bylo eliminovat vliv zemské gravitace a vibrací celého zařízení.
Změnami vzdálenosti mezi rameny prvního interferometru fyzici zjistili, že výsledné rozdíly ve velikosti relativní fáze mění kvadratickou závislost v souhlase s vypočítaným zakřivením prostoročasu způsobeného hmotností olova.
Není to poprvé, kdy vědci využili atomový interferometr pro měření zakřivení prostoročasu. Fyzici z univerzity ve Florencii demonstrovali v roce 2015 zakřivení prostoročasu tak, že porovnali zrychlení atomů uvnitř tří separovaných oblaků umístěných v gravitačním poli velkých kusů slitiny wolframu. Stanfordští vědci však namítají, že atomy v různých oblacích neexistují v jednom koherentním kvantovém stavu, takže pouze měření slapových sil přes individuální vlnové balíky by mohlo umožnit pozorování porušení kvantové koherence způsobené gravitací.
Výsledky získané ve Stanfordu jsou zcela konzistentní se zachováním kvantové koherence. Jak citlivé by muselo zařízení být, aby bylo možné pozorovat dekoherenci, současná teorie neumožňuje přesně určit. Většina teoretických fyziků, kteří pracují na teoriích kvantové gravitace, se zajímá o charakteristiky černých děr a dalších hmotných objektů, což je naprostý opak velmi malých polí, která generují atomové slapové síly.
Měření zakřivení prostoročasu v důsledku gravitace je důležité i z technického hlediska. Tato metoda by totiž mohla zdokonalit hledání nerostných surovin, které je založeno na velikosti gravitace. K identifikaci látek s určitou hustotou pod zemským povrchem používají inženýři většinou gravimetry, které měří změny gravitačního zrychlení od bodu k bodu. Jenže podle principu ekvivalence platí, že když je takový přístroj třeba na palubě helikoptéry, je obtížné odlišit vibrační a gravitační zrychlení. Pokud se však měří zakřivení prostoročasu, tento problém odpadá.
Vědci ještě budou muset odvést kus práce, než bude možné zařízení skutečně prakticky využít. Zvláště lasery musejí mít dostatečný výkon a spolehlivou kontrolu polarizace. Dalším krokem je naučit se dělit vlnový balík na větší vzdálenosti než dosud. Pak bude možné demonstrovat potenciál atomové interferometrie pro studium gravitace v dosud neprobádaných systémech.
Práce byla uveřejněna v Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Vesmírná
radiace na Zemi
Gravitační
vlny potřetí
Optický
čip dělá z běžného mikroskopu nanoskop
Detektor
Majorana dostal zelenou