Lần này là phần dịch chuyển đỏ hấp dẫn của Thuyết tương đối rộng; và sự nghiêm ngặt? Một sản phẩm tốt hơn đáng kinh ngạc so với một phần trong 100 triệu!
Làm thế nào mà Steven Chu (Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ, mặc dù công việc này được thực hiện khi ông còn ở Đại học California Berkeley), Holger Müler (Berkeley) và Achim Peters (Đại học Humboldt ở Berlin) đã đánh bại bài kiểm tra dịch chuyển đỏ hấp dẫn tốt nhất trước đó (trong Năm 1976, sử dụng hai đồng hồ nguyên tử - một trên bề mặt Trái đất và cái còn lại được gửi lên độ cao 10.000 km trong một tên lửa) bằng 10.000 lần đáng kinh ngạc?
Bằng cách khai thác lưỡng tính sóng và hạt chồng chất trong một giao thoa kế nguyên tử!
Về con số này
: Sơ đồ về cách hoạt động của giao thoa kế nguyên tử. Quỹ đạo của hai nguyên tử được vẽ như là các hàm của thời gian. Các nguyên tử đang tăng tốc do trọng lực và các đường dao động mô tả sự tích lũy pha của sóng vật chất. Mũi tên chỉ thời gian của ba xung laser. (Lịch sự: Tự nhiên).
Dịch chuyển đỏ hấp dẫn là hệ quả tất yếu của nguyên tắc tương đương làm nền tảng cho thuyết tương đối rộng. Nguyên tắc tương đương nêu rõ rằng các tác động cục bộ của trọng lực cũng giống như các tác động trong một khung tham chiếu gia tốc. Vì vậy, lực hướng xuống được cảm nhận bởi ai đó trong thang máy có thể bằng nhau do gia tốc hướng lên của lực nâng hoặc do trọng lực. Các xung ánh sáng được gửi lên từ một đồng hồ trên sàn thang máy sẽ bị dịch chuyển đỏ khi thang máy đang tăng tốc lên, có nghĩa là đồng hồ này sẽ xuất hiện chậm hơn khi đèn flash của nó được so sánh ở trần thang máy với đồng hồ khác. Bởi vì không có cách nào để phân biệt trọng lực và gia tốc, điều tương tự sẽ đúng trong trường hấp dẫn; nói cách khác, lực hấp dẫn của đồng hồ trải qua càng lớn hoặc càng gần cơ thể đồ sộ thì nó sẽ càng chậm.
Xác nhận hiệu ứng này hỗ trợ cho ý tưởng rằng trọng lực là hình học - một biểu hiện của độ cong không thời gian - bởi vì dòng chảy thời gian không còn không đổi trong toàn vũ trụ mà thay đổi theo sự phân bố của các vật thể lớn. Khám phá ý tưởng về độ cong không thời gian rất quan trọng khi phân biệt giữa các lý thuyết khác nhau về lực hấp dẫn lượng tử bởi vì có một số phiên bản của lý thuyết dây trong đó vật chất có thể đáp ứng với một thứ khác ngoài hình học của không thời gian.
Tuy nhiên, dịch chuyển đỏ do hấp dẫn như là một biểu hiện của tính bất biến vị trí cục bộ (ý tưởng rằng kết quả của bất kỳ thí nghiệm không hấp dẫn nào là độc lập với nơi và khi nào trong vũ trụ được thực hiện) là ít được xác nhận nhất trong ba loại thí nghiệm mà ủng hộ nguyên tắc tương đương. Hai cái còn lại - tính phổ biến của sự rơi tự do và tính bất biến Lorentz cục bộ - đã được xác minh với các điều khoản của 10-13 hoặc tốt hơn, trong khi dịch chuyển đỏ hấp dẫn trước đây chỉ được xác nhận với độ chính xác 7 × 10-5.
Vào năm 1997, Peters đã sử dụng các kỹ thuật bẫy laser do Chu phát triển để bắt các nguyên tử xê-ri và làm nguội chúng đến một phần triệu độ K (để giảm vận tốc của chúng hết mức có thể), và sau đó sử dụng chùm tia laser thẳng đứng để tạo ra một cú đá hướng lên đến các nguyên tử để đo lượng rơi tự do hấp dẫn.
Bây giờ, Chu và Müller đã diễn giải lại kết quả của thí nghiệm đó để đưa ra một phép đo về dịch chuyển đỏ hấp dẫn.
Trong thí nghiệm, mỗi nguyên tử được tiếp xúc với ba xung laser. Xung đầu tiên đặt nguyên tử vào vị trí chồng chất của hai trạng thái có thể xảy ra như nhau - hoặc để nó một mình giảm tốc và sau đó rơi trở lại Trái đất dưới lực kéo của trọng lực, hoặc cho nó một cú đá thêm để nó đạt được độ cao lớn hơn trước khi hạ xuống. Một xung thứ hai sau đó được áp dụng vào đúng thời điểm để đẩy nguyên tử ở trạng thái thứ hai trở lại nhanh hơn về phía Trái đất, khiến hai trạng thái chồng chất gặp nhau trên đường xuống. Tại thời điểm này, xung thứ ba đã đo sự giao thoa giữa hai trạng thái do sự tồn tại của nguyên tử tạo ra như một sóng, ý tưởng cho thấy bất kỳ sự khác biệt nào về dịch chuyển đỏ do lực hấp dẫn của hai trạng thái tồn tại ở độ cao khác nhau trên bề mặt Trái đất sẽ được biểu hiện như một sự thay đổi trong pha tương đối của hai trạng thái.
Ưu điểm của phương pháp này là tần số cực cao của sóng nguyên tử Caes de Broglie - một số 3 × 1025Hz. Mặc dù trong 0,3 giây rơi tự do, các sóng vật chất trên quỹ đạo cao hơn trải qua thời gian trôi qua chỉ 2 × 10-20Nhiều hơn các sóng trên quỹ đạo thấp hơn, tần số dao động khổng lồ của chúng, kết hợp với khả năng đo chênh lệch biên độ chỉ một phần trong 1000, có nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể xác nhận dịch chuyển đỏ hấp dẫn với độ chính xác 7 × 10-9.
Như Müller nói, Tháng Nếu thời gian rơi tự do được kéo dài đến tuổi của vũ trụ - 14 tỷ năm - chênh lệch thời gian giữa các tuyến trên và dưới sẽ chỉ bằng một phần nghìn giây và độ chính xác của phép đo sẽ là là 60 ps, thời gian để ánh sáng truyền đi khoảng một centimet.
Müller hy vọng sẽ cải thiện hơn nữa độ chính xác của các phép đo dịch chuyển đỏ bằng cách tăng khoảng cách giữa hai trạng thái chồng chất của các nguyên tử xê-ri. Khoảng cách đạt được trong nghiên cứu hiện tại chỉ là 0,1 mm, nhưng, theo ông, bằng cách tăng nó lên 1 m, có thể phát hiện ra sóng hấp dẫn, được dự đoán bởi thuyết tương đối rộng nhưng chưa được quan sát trực tiếp.
Nguồn: Thế giới Vật lý; Bài viết trên tạp chí Nature số 18 tháng 2 năm 2010
