Questa volta era la parte gravitazionale del redshift della Relatività Generale; e la severità? Un sorprendente migliore di una parte su 100 milioni!
In che modo Steven Chu (US Secret of Energy, sebbene questo lavoro sia stato svolto mentre era all'Università della California Berkeley), Holger Müler (Berkeley) e Achim Peters (Università Humboldt di Berlino) ha superato il precedente test gravitazionale redshift (in 1976, usando due orologi atomici - uno sulla superficie della Terra e l'altro inviato ad un'altitudine di 10.000 km in un razzo - da una sconcertante 10.000 volte?
Diversità sfruttata dualità onda-particella e sovrapposizione all'interno di un interferometro atomico!
A proposito di questa cifra
: Schema del funzionamento dell'interferometro atomico. Le traiettorie dei due atomi sono tracciate come funzioni del tempo. Gli atomi stanno accelerando a causa della gravità e le linee oscillatorie raffigurano l'accumulo di fase delle onde di materia. Le frecce indicano i tempi dei tre impulsi laser. (Per gentile concessione di: Natura).
Il redshift gravitazionale è una conseguenza inevitabile del principio di equivalenza che sta alla base della relatività generale. Il principio di equivalenza afferma che gli effetti locali della gravità sono gli stessi di quelli di essere in un quadro di riferimento accelerato. Quindi la forza verso il basso avvertita da qualcuno in un ascensore potrebbe essere ugualmente dovuta a un'accelerazione verso l'alto dell'ascensore o alla gravità. Gli impulsi di luce inviati verso l'alto da un orologio sul pavimento dell'ascensore verranno spostati in rosso quando l'ascensore sta accelerando verso l'alto, il che significa che questo orologio sembrerà più lento quando i suoi lampi vengono confrontati sul soffitto dell'ascensore con un altro orologio. Poiché non c'è modo di distinguere la gravità e l'accelerazione, lo stesso vale per un campo gravitazionale; in altre parole, maggiore è l'attrazione gravitazionale sperimentata da un orologio, o più è vicina a un corpo massiccio, più lentamente ticchetterà.
La conferma di questo effetto supporta l'idea che la gravità è la geometria - una manifestazione della curvatura dello spaziotempo - perché il flusso del tempo non è più costante in tutto l'universo ma varia in base alla distribuzione di corpi massicci. Esplorare l'idea della curvatura dello spazio-tempo è importante quando si distingue tra diverse teorie della gravità quantistica perché ci sono alcune versioni della teoria delle stringhe in cui la materia può rispondere a qualcosa di diverso dalla geometria dello spaziotempo.
Il redshift gravitazionale, tuttavia, come manifestazione dell'invarianza della posizione locale (l'idea che il risultato di qualsiasi esperimento non gravitazionale sia indipendente da dove e quando nell'universo viene effettuato) è il meno ben confermato dei tre tipi di esperimento che supportare il principio di equivalenza. Gli altri due - l'universalità della caduta libera e l'invarianza locale di Lorentz - sono stati verificati con precisioni di 10-13 o meglio, mentre il redshift gravitazionale era stato precedentemente confermato solo con una precisione di 7 × 10-5.
Nel 1997 Peters usò le tecniche di intrappolamento laser sviluppate da Chu per catturare gli atomi di cesio e raffreddarli a pochi milionesimi di grado K (al fine di ridurne il più possibile la velocità), e quindi utilizzare un raggio laser verticale per impartire un calcio verso l'alto agli atomi per misurare la caduta libera gravitazionale.
Ora, Chu e Müller hanno reinterpretato i risultati di quell'esperimento per fornire una misurazione del redshift gravitazionale.
Nell'esperimento ciascuno degli atomi è stato esposto a tre impulsi laser. Il primo impulso mise l'atomo in una sovrapposizione di due stati ugualmente probabili - lasciandolo solo per rallentare e poi ricadendo sulla Terra sotto la spinta della gravità, o dandogli un calcio in più in modo che raggiungesse un'altezza maggiore prima di scendere. Un secondo impulso è stato quindi applicato al momento giusto in modo da spingere l'atomo nel secondo stato più velocemente verso la Terra, facendo sì che i due stati di sovrapposizione si incontrassero lungo la discesa. A questo punto il terzo impulso misurava l'interferenza tra questi due stati causata dall'esistenza dell'atomo come un'onda, con l'idea che qualsiasi differenza nello spostamento verso il basso gravitazionale sperimentata dai due stati esistenti a diverse altezze sopra la superficie terrestre si manifestasse come un cambiamento nella fase relativa dei due stati.
La virtù di questo approccio è l'altissima frequenza dell'onda di de Broglie di un atomo di cesio - circa 3 × 1025Hz. Sebbene durante gli 0,3 s di caduta libera la materia si propagasse sulla traiettoria superiore, il tempo trascorso di soli 2 × 10-20s più delle onde sulla traiettoria inferiore, l'enorme frequenza della loro oscillazione, combinata con la capacità di misurare le differenze di ampiezza di una sola parte su 1000, ha permesso ai ricercatori di confermare il redshift gravitazionale con una precisione di 7 × 10-9.
Come dice Müller, “Se il tempo di caduta libera fosse esteso all'età dell'universo - 14 miliardi di anni - la differenza di tempo tra le rotte superiore e inferiore sarebbe solo un millesimo di secondo e l'accuratezza della misurazione sarebbe essere 60 ps, il tempo impiegato dalla luce per viaggiare di circa un centimetro. "
Müller spera di migliorare ulteriormente la precisione delle misurazioni del redshift aumentando la distanza tra i due stati di sovrapposizione degli atomi di cesio. La distanza raggiunta nella ricerca attuale era di soli 0,1 mm, ma, dice, aumentandolo a 1 m dovrebbe essere possibile rilevare le onde gravitazionali, previste dalla relatività generale ma non ancora osservate direttamente.
Fonti: Physics World; l'articolo è nel numero di Nature del 18 febbraio 2010
