Плавающие атомы для измерения гравитации 25.11.2019

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли нашла новый способ измерения сил гравитации и эффектов, связанных с этими силами. Основой этого метода является измерение мельчайших различий между атомами, находящимися в состоянии квантовой суперпозиции, которые удерживаются в "плавающем" состоянии светом лазеров внутри вакуумной камеры. Исследователи из Беркли считают, что этот новый метод в ряде случаев будет более удобен и полезен, чем традиционные методы проведения подобных измерений, используемых в настоящее время.

Нынешним стандартным способом измерения гравитации и проведения экспериментов с земной силой тяжести является сброс различных объектов с некоторой высоты. При этом, сброс объектов осуществляется внутри вертикальных труб, внутри которых создан вакуум большой глубины и которые являются одновременно экраном, блокирующим воздействие ряда внешних факторов на высокочувствительное измерительное оборудование.

К сожалению, такие методы дают ученым возможность наблюдать за воздействием сил гравитации лишь достаточно короткое время, помимо этого, результаты таких экспериментов часто искажаются непреднамеренным воздействием внешних магнитных и электрических полей. Новый же метод позволяет измерить гравитацию способом, в котором не используются вообще никакие падающие или движущиеся объекты.

Для измерения гравитации новым методом облако атомов цезия распыляется внутри небольшой вакуумной камеры. После этого при помощи вспышек лазерного света эти атомы помещаются в состояние квантовой суперпозиции, разделяются на пары, которые занимают фиксированные положения в пространстве. При этом все организовано так, что один атом пары всегда находится выше второго атома.

Измеряемой величиной в этом методе является значение, численно отражающее волновую составляющую каждого атома, который, будучи квантовой частицей, обладает свойством квантово-волнового дуализма, являясь и частицей и волной одновременно. Различия в измеренных величинах частиц, находящихся на различном расстоянии от Земли, и позволяет вычислить значение гравитации с достаточно высокой точностью.

Отметим, что новый метод измерения гравитации имеет целый ряд существенных преимуществ. При его помощи можно проводить измерения сколь угодно долго, поднимая тем самым точность получаемых значений. Кроме этого, такой же метод может быть использован не только для измерения сил земной гравитации, но и сил гравитационных взаимодействий между двумя частицами, таких, как используемые в эксперименте атомы цезия.

За счет небольших размеров вакуумной камеры ее, эту камеру, гораздо легче экранировать и защитить от всех возможных нежелательных воздействий извне. Благодаря этому в будущем можно будет создать достаточно портативное устройство, которое может быть использовано для измерения гравитации в различных точках земной поверхности и проведения подобных измерений с околоземной орбиты.

Новый метод измерения гравитации может стать чрезвычайно полезным инструментом для ученых, занимающихся проблемой темной материи и энергии, и позволяющим провести проверку других физических фундаментальных вещей, таких, как принцип эквивалентности.