Ερευνητές για πρώτη φορά διεξάγουν άμεση μέτρηση της καμπυλότητας του βαρυτικού πεδίου

Ομάδα ερευνητών που εργάζεται στην Ιταλία, διεξήγαγε με επιτυχία πείραμα στο πλαίσιο του οποίου μετρήθηκε για πρώτη φορά η καμπυλότητα το βαρυτικού πεδίου. Στην εργασία τους που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review Letters, τα μέλη της ομάδας περιγράφουν την εργασία τους και σημειώνουν ότι αυτό που έχει επιτευχθεί θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια βελτίωση της τιμής του G, της Νευτώνιας βαρυτικής σταθεράς.

Επί πολλά χρόνια, οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει περισσότερο εξελιγμένους τρόπους για να μετρήσουν τη βαρύτητα. Ένας από τους τελευταίους είναι η χρήση της ατομικής συμβολομετρίας, που επιτρέπει την μέτρηση αποστάσεων με πολλή υψηλή ακρίβεια και λειτουργεί αξιοποιώντας την κβαντομηχανική κυματική φύση των ατόμων. Μέχρι τώρα οι ερευνητές κατάφεραν να μετρήσουν τις αλλαγές της βαρύτητας καθώς αυξάνεται το υψόμετρο, για μικρά ύψη λίγων μέτρων, δημιουργώντας ένα χωρικό ρυθμό αλλαγής της βαρυτικής επιτάχυνσης, μια βαρυτική βαθμίδα.

Σε αυτή την νέα έρευνα καταγράφεται ένας τρόπος με τον οποίο κατάφερε η ομάδα, μετρώντας τις παρακείμενες τιμές της βαρυτικής βαθμίδας, να μετρήσει την αλλαγή της (κάθετης συνιστώσας) καμπυλότητας του βαρυτικού πεδίου, που παράγεται από μια μεγάλη μάζα.

Για την άμεση μέτρηση της αλλαγής της βαρυτικής βαθμίδας, η ομάδα χρησιμοποίησε μετρήσεις που έγιναν σε τρία διαφορετικά ύψη. Μετρώντας τη βαρύτητα σε δυο θέσεις, κοντά η μια στην άλλη, μπορεί να υπολογιστεί η βαρυτική βαθμίδα από τη μέτρηση του λόγου της μεταβολής της έντασης του βαρυτικού πεδίου προς την απόσταση μεταξύ των δυο θέσεων. Η μέτρηση της βαρύτητας σε τρεις θέσεις επιτρέπει τον υπολογισμό του ρυθμού της μεταβολής της ή την βαρυτική καμπυλότητα. Η ιδέα για ένα πείραμα που θα έκανε αυτή τη μέτρηση προτάθηκε για πρώτη φορά το 2002. Το πείραμα που διεξήχθη από την ομάδα στην Ιταλία βασίστηκε σε αυτή την ιδέα.

(a) Σχηματοποίηση του πειράματος. (b) Η βαρυτική επιτάχυνση κατά μήκος συμμετρικού άξονα (az) που παράγεται από μάζες που προστέθηκαν και τη γήινης βαρυτικής βαθμίδας. Credit: http://arxiv.org/pdf/1501.01500v1.pdf

Για να γίνει δυνατή η μέτρηση της βαρύτητας σε τρεις διαφορετικές θέσεις, ταυτόχρονα, η ομάδα δημιούργησε τρία νέφη υπέρψυχρων ατόμων σε τρία διαφορετικά ύψη μέσα σε σωλήνα ενός μέτρου. Το πάνω μισό του σωλήνα περιβλήθηκε από βάρη, με κράμα βολφραμίου, για να προκληθεί μια αύξηση στη διακύμανση του βαρυτικού πεδίου. Τα άτομα ακτινοβολήθηκαν με παλμούς από ένα λέιζερ για να προκληθεί ο διαχωρισμός των νεφών σε δυο μέρη, το ένα που απορροφά φωτόνια και ένα δεύτερο που αφέθηκε στη βασική κατάσταση, μια κατάσταση της χαμηλότερης ενέργειας.

Η πρόσθετη ορμή προκάλεσε μια πτώση στα άτομα της πρώτης ομάδας, διαφορετικής απόστασης σε μια μετρημένη χρονική διάρκεια, πράγμα που οδήγησε σε μια διαφορά στους κύκλους του κβαντικού κύματος μεταξύ των δυο. Η ομάδα τότε πρόσθεσε δυο ακόμη κυματικούς παλμούς για να προκαλέσει στις δυο ομάδες να επανασυνδυαστούν, πράγμα που τα επέτρεψε να συμβάλουν. Μετρώντας την συμβολή έγινε δυνατή η μέτρηση των μεταβολών της βαρυτικής επιτάχυνσης και της καμπυλότητας, που βρέθηκε να είναι 1,4×10^−5 s^−2 m^−1, όπως είχε προβλεφτεί.

Η ομάδα πιστεύει ότι η μέθοδος θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμη για εργασίες γεωλογικές και χαρτογράφησης τόσο καλά όσο για βελτίωση της μέτρησης του G.

Αρχική πηγή διέγερσης: phys.org

Πηγή (με τη μελέτη): http://arxiv.org/pdf/1501.01500v1.pdf

Περισσότερα: Measurement of the Gravity-Field Curvature by Atom Interferometry, Phys. Rev. Lett. 114, 013001 – Published 5 January 2015

Περισσότερα (επίσης): arxiv.org/abs/1501.01500