Privind cum se comportă atomii atunci când sunt suspendați în aer, mai degrabă decât în cădere liberă, fizicienii au descoperit o nouă modalitate de a măsura gravitația Pământului.
În mod tradițional, oamenii de știință au măsurat influența gravitației asupra atomilor urmărind cât de repede se prăbușesc atomii pe jgheaburi înalte. Astfel de experimente pot ajuta la testarea teoriei gravitației lui Einstein și la măsurarea precisă a constantelor fundamentale (SN: 4/12/18). Dar tuburile lungi de metri folosite în experimentele de cădere liberă pot fi greu de manevrat și greu de protejat de interferențele mediului, cum ar fi câmpurile magnetice parazite. Cu o nouă configurație de masă, fizicienii pot măsura puterea gravitației Pământului prin monitorizarea atomilor suspendați la câțiva milimetri în aer de lumina laser.
Această reproiectare, descrisă în 8 noiembrie Ştiinţă, ar putea sonda mai bine forțele gravitaționale exercitate de obiectele mici. De asemenea, tehnica ar putea fi folosită pentru a măsura variații ușoare gravitaționale în diferite locuri din lume, ceea ce poate ajuta la cartografierea fundului mării sau la găsirea petrolului și a mineralelor în subteran (SN: 2/12/08).
Fizicianul Victoria Xu și colegii de la Universitatea din California, Berkeley au început prin lansarea unui nor de atomi de cesiu în aer și prin utilizarea fulgerelor de lumină pentru a împărți fiecare atom într-o stare de suprapunere. În acest limbo cuantic ciudat, fiecare atom există în două locuri simultan: o versiune a atomului plutește cu câțiva micrometri mai sus decât cealaltă. Echipa lui Xu a prins apoi acești atomi de cesiu divizați în aer cu lumina de la un laser.
Te-am prins, atom
Pentru a măsura gravitația, fizicienii au împărțit atomii într-o stare cuantică ciudată numită suprapunere – unde o versiune a atomului este puțin mai înaltă decât cealaltă (puncte albastre conectate prin benzi galbene verticale în această ilustrație). Cercetătorii prind acești atomi în aer folosind lumină laser (benzi albastre orizontale). În timp ce este ținută în lumină, fiecare versiune a unui singur atom se comportă ușor diferit, datorită pozițiilor diferite în câmpul gravitațional al Pământului. Măsurarea acestor diferențe permite fizicienilor să determine puterea gravitației Pământului în acea locație.
Măsurarea forței gravitației cu atomi care sunt ținuți pe loc, mai degrabă decât să fie trageți în jos de un câmp gravitațional, necesită accesarea dualității undă-particulă a atomilor (SN: 5/11/10). Acest efect cuantic înseamnă că, la fel cum undele de lumină pot acționa ca niște particule numite fotoni, atomii pot acționa ca undele. Iar pentru fiecare atom de cesiu prins în suprapunere, versiunea superioară a undei atomice se ondula puțin mai repede decât omologul său inferior, datorită pozițiilor ușor diferite ale atomilor în câmpul gravitațional al Pământului. Urmărind cât de repede se desincronizează ondulația celor două versiuni ale unui atom, fizicienii pot calcula puterea gravitației Pământului în acel loc.
„Foarte impresionant”, spune fizicianul Alan Jamison de la MIT. Pentru el, o mare promisiune a noii tehnici sunt măsurători mai controlate. „Este destul de o provocare să lucrezi la aceste experimente de cădere, în care ai un turn lung de 10 metri”, spune el. „Câmpurile magnetice sunt greu de protejat, iar mediul le produce peste tot – toate sistemele electrice din clădirea dumneavoastră și așa mai departe. Lucrul la un volum mai mic facilitează evitarea acestor zgomote ambientale.”
Echipamentele mai compacte pot măsura, de asemenea, efectele gravitației pe rază mai scurtă, spune coautorul studiului, Holger Müller. „Să presupunem că nu doriți să măsurați gravitația întregului Pământ, dar doriți să măsurați gravitația unui lucru mic, cum ar fi o marmură”, spune el. „Trebuie doar să punem marmura aproape de atomii noștri [and hold it there]. Într-o configurație tradițională de cădere liberă, atomii ar petrece un timp foarte scurt aproape de marmura noastră – milisecunde – și am primi mult mai puțin semnal.”
Fizicianul Kai Bongs de la Universitatea din Birmingham din Anglia își imaginează că folosește noul tip de gravimetru atomic pentru a investiga natura materiei întunecate sau pentru a testa o fațetă fundamentală a teoriei gravitației lui Einstein numită principiul echivalenței.SN: 4/28/17). Multe teorii unificate ale fizicii au propus să reconcilieze mecanica cuantică și teoria gravitației a lui Einstein – care sunt incompatibile – încalcă într-un fel principiul echivalenței. „Deci, căutarea încălcărilor ne-ar putea ghida către teoria mare unificată”, spune el. „Acesta este unul dintre Sfântul Graal din fizică.”