이번에는 일반 상대성 이론의 중력 적 적색 편이였다. 그리고 엄격? 100 만분의 1이 넘는 놀라운 것!
Steven Chu (미국 에너지 부 장관)는이 작업이 캘리포니아 버클리 대학에 있었을 때 이루어졌지만 Holger Müler (버클리)와 Achim Peters (베를린 훔볼트 대학)는 이전의 최고의 중력 적색 편이 시험을 이겼습니다. 1976 년, 두 개의 원자 시계를 사용했습니다 – 하나는 지구 표면에 있고 다른 하나는 로켓으로 10,000km의 고도로 보내졌습니다.
원자 간섭계 내에서 파동 입자 이중성 및 중첩을 이용함으로써!
이 그림에 대하여
: 원자 간섭계 작동 방식의 개략도. 두 원자의 궤적은 시간의 함수로 표시됩니다. 원자는 중력으로 인해 가속되고 진동선은 물질 파의 위상 축적을 나타냅니다. 화살표는 세 개의 레이저 펄스의 시간을 나타냅니다. (Courtesy : Nature).
중력 적 적색 편이는 일반적인 상대성 이론의 기초가되는 동등성 원칙의 불가피한 결과입니다. 동등성 원칙에 따르면 중력의 국소 효과는 가속 기준 프레임에있는 효과와 동일합니다. 따라서 리프트에서 누군가가 느끼는 하향 력은 리프트의 상승 가속 또는 중력에 의해 동일하게 발생할 수 있습니다. 리프트 바닥의 시계에서 위쪽으로 전송되는 빛의 펄스는 리프트가 위쪽으로 가속 될 때 빨간색으로 이동합니다. 즉, 리프트의 천장에서 플래시가 다른 시계와 비교 될 때이 시계가 더 느리게 틱하게 나타납니다. 중력과 가속도를 구분할 수있는 방법이 없기 때문에 중력장에서도 마찬가지입니다. 다시 말해, 시계가 경험하는 중력이 클수록, 또는 그것이 큰 물체에 가까울수록 더 천천히 틱합니다.
이 효과를 확인하면 시간의 흐름이 더 이상 우주 전체에서 일정하지 않지만 거대한 물체의 분포에 따라 달라지기 때문에 중력이 시공간 곡률의 형상 인 지오메트리라는 생각을 뒷받침합니다. 양자 중력에 대한 다른 이론들을 구별 할 때 시공간 곡률에 대한 아이디어를 탐구하는 것이 중요하다. 시공간의 지오메트리 이외의 다른 것에 반응 할 수있는 스트링 이론의 일부 버전이 있기 때문이다.
그러나 중력 적 적색 편이는 국소 적 위치 불변의 징후 (비중력 실험의 결과가 우주에서 언제 어디에서 수행되는지와 무관하다는 생각)는 다음 세 가지 유형의 실험 중에서 가장 잘 확인되지 않았다. 동등성 원칙을지지하십시오. 다른 두 가지 – 자유 낙하의 보편성과 로렌츠의 불변성 –은 10의 정밀도로 검증되었습니다-13 중력 적 적색 편이는 7 × 10의 정밀도로만 확인 된 반면-5.
1997 년 Peters는 Chu가 개발 한 레이저 트래핑 기술을 사용하여 세슘 원자를 포집하고 가능한 한 속도를 줄이기 위해 수백만 분의 1도 K까지 냉각 한 다음 수직 레이저 빔을 사용하여 상향 킥을주었습니다. 중력 자유 낙하를 측정하기 위해 원자에.
이제 Chu와 Müller는 중력 적 적색 편이를 측정하기 위해 실험 결과를 재 해석했습니다.
실험에서 각 원자는 3 개의 레이저 펄스에 노출되었다. 첫 번째 펄스는 원자를 두 개의 똑같이 가능한 상태의 중첩에 두었습니다. 원자를 감속시킨 다음 중력을 끌어 당기고 지구로 내려가거나 내림 전에 더 큰 높이에 도달하도록 추가 킥을주는 것입니다. 그런 다음 두 번째 상태의 원자를 지구쪽으로 더 빨리 밀어 내도록 두 번째 펄스를 적절한 순간에 적용하여 두 중첩 상태가 아래로 향하게합니다. 이 시점에서 세 번째 펄스는 원자의 존재로 인한 두 가지 상태 사이의 간섭을 파동으로 측정했으며, 지구 표면 위의 차이 높이에 존재하는 두 가지 상태가 경험하는 중력 적 적색 이동의 차이는 다음과 같이 나타납니다. 두 상태의 상대 단계의 변화.
이 접근법의 장점은 세슘 원자의 브로 글리 웨이브의 매우 높은 주파수 – 약 3 × 1025Hz. 0.3 초의 자유 낙하 동안 높은 궤도의 물질 파는 단지 2 × 10의 경과 시간을 경험했지만-20낮은 궤적의 파도보다 많은 진동의 주파수와 1000에서 단지 한 부분의 진폭 차이를 측정하는 능력과 결합하여 연구원들은 중력 적 적색 편이를 7 × 10의 정밀도로 확인할 수있었습니다.-9.
ül 러가 말했듯이,“자유 낙하 시간이 우주의 시대 (140 억 년)로 연장된다면, 상부와 하부 노선 사이의 시간 차이는 단지 1 분의 1 초에 불과할 것입니다. 빛이 약 센티미터 정도 이동하는 데 걸리는 시간은 60ps입니다.”
ül 러는 세슘 원자의 두 중첩 상태 사이의 거리를 늘림으로써 적색 편이 측정의 정확도를 더욱 향상시키기를 희망한다. 현재 연구에서 달성 된 거리는 단지 0.1 mm에 불과하지만,이를 1m로 늘림으로써 일반적인 상대성 이론에 의해 예측되었지만 아직 직접 관찰되지 않은 중력파를 감지 할 수 있어야한다고 그는 말했다.
출처 : 물리 세계; 이 논문은 Nature의 2010 년 2 월 18 일호에있다
