Атомни интерферометри „поправиха” Нютон

Физици от Италия и Нидерландия представиха нови резултати от измерването на гравитационната константа, за първи път извършени с атомни интерферометри.

Стойността, получена от учените за константата, е 6.67191(99)x10^-11 (метра)³ (килограма)^-1 (секунди)^-2 с точност 0,015 процента.

Такива измервания са важни не само за метрологията и системите за геостационарно позициониране, но и за изследване на Космоса и проверка на моделите, основани на общата теория на относителността и съвременната космология.

Lenta.ru описва как е проведено измерването на гравитационната константа и какви изводи са направили учените.

Прилагането на атомни интерферометри е относително нова, но перспективна насока в измерването на гравитационните ефекти. Например жироскоп, в работата на който се използва ефект на Саняк, е прилаган за измерване на ускорението, предизвикано от взаимодействието с гравитиращите тела, в експеримент по проверка на закона на всемирното привличане и в геофизиката. Учените за първи път използвали атомен интерферометър за прецизно измерване на стойността на гравитационната константа.

Относителна слабост на гравитационното взаимодействие прави измерването на неговата константа доста трудна задача. В света са проведени около 300 измервания на константата на привличането, като се започне с класическите опити на Кавендиш.

Стойността на гравитационната константа била определена от закона за всемирното привличане на Нютон, според който силата на гравитационното привличане между две масивни точки е пропорционална на произведението на техните маси и обратнопропорционална на квадрата на разстоянието между тях.

В качеството на коефициент на пропорционалност встъпва гравитационната константа, която носи универсален характер, а нейната коректна стойност зависи от избора на системата единици за измерване.

Измерванията на гравитационната константа за последните 32 години.
© Nature

Гравитационната константа влиза сред шестте фундаментални физични константи, чиято стойност се определя в експерименти и както се смята, не се променя съществено (в пространството и времето). Тези константи фигурират във всички основни закони и уравнения на физиката, чрез тях се изразяват много други производни константи.

Освен гравитационната константа към константите се отнасят стойностите на скоростта на светлината във вакуум и елементарният електричен заряд, както и константите на Планк, Болцман и Дирак.

Инсталацията е устроена по следния начин. Във вакуумна камера в долната част на апарата магнитооптичен капан събира 109 рубидиеви атома. След включване на магнитното поле атомите се повдигат нагоре по вертикалата и се озовават между две групи волфрамови цилиндри. В експеримента са използвани 24 цилиндъра, изработени от сплав на Волфрам, с обща маса 516 килограма. Всеки цилиндър имал диаметър 99 мм и височина около 150 мм. Тези цилиндри били разположени на две титанови платформи около вертикална ос с хексагонална симетрия.

След това, за да се изключи влиянието на топлинни флуктуации, атомите се охлаждат до четири миликелвина. В инсталацията се използват две атомни групировки, които се повдигат на височина около 60 и 90 сантиметра, така че разстоянието по вертикала между тях е 328 милиметра. Атомите в групировките се намират в специални възбудени състояния. Тези от тях, които се намират в състояния, различни от необходимите за експеримента, се отстраняват.

Учените измерили изменението на разположените горе и долу атомни групи за две положения на системите цилиндри: F и C. Премествайки цилиндрите между положенията F и C, учените с помощта на атомна интерферометрия определили измененията на стойностите на величината на напрегнатостта на гравитационното поле (ускорението на свободното падане).

Принципна схема на инсталацията.
© Nature

Лазерните импулси са настроени на резонансна честота на свръхтънък преход между двете нива на енергията на атомите. Преходът между две такива нива в атомите, провокиран от излъчването от лазера, предизвиква изменение на вътрешните им енергии и импулси и се съпровожда от излъчване на фотони.

Интерферометърът разделя това излъчване на две пространствено разнесени кохерентни части, които, преминавайки различни оптични пътища, на екрана при налагане едно върху друго създават интерференционна картина на редуващи се максимуми и минимуми. Разположените минимуми и максимуми на картината зависят от разликите във фазите на падащите снопове светлина.

Междувременно в еднородно гравитационно поле атомите при преместване изпитват фазово изместване. Така, според изменението на тези измествания и премествания, учените могат да определят локални изменения в стойностите на ускорението на свободното падане, а следователно – и гравитационната константа.

Върху точността на работата на интерферометъра, освен външни фактори, свързани с антропогенни вибрации, сеизмични шумове и въртенето на Земята (което влияе на разположението на атомите в напречна посока), оказвали влияние и фактори, свързани с конструктивни особености на инсталацията. Преди всичко това са възможни грешки в определянето на точното положение на масивни източници (по вертикала и хоризонтала) и нееднородности в тяхната плътност.

Учените смятат, че работата им ще позволи да се проведе системен анализ на възможните грешки, срещащи се в експерименти по определяне на гравитационната константа. Освен това проведеният опит отваря нови възможности в измерването на гравитационната константа със свръхстудени атоми, затворени в оптични капани.

Както беше споменато, точното определение на стойността на гравитационната константа е необходимо за геодезичната гравиметрия (измерване на силата на тежестта в различни области и на различни височини на Земята), а също за фундаменталните науки: съвременна космология, теория на гравитацията и физика на частиците.