Ученые из Университета Вирджинии предложили и опробовали на практике способ измерения силы тяжести на атомарном уровне. В проведенном эксперименте удалось добиться достаточно высокой точности, поэтому в будущем после доработки методики ученые рассчитывают применить ее в измерительных и навигационных устройствах.
Гравитация – это одно из фундаментальных взаимодействий, в котором участвуют все материальные объекты. Это наиболее слабое, и, в то же время, самое первое взаимодействие, описанное в физических законах.Основная особенность гравитации с точки зрения именно земного наблюдателя в том, что сила тяжести сообщает одинаковое ускорение всем телам вне зависимости от их массы и формы. Из-за того, что Земля не является идеальным однородным шаром, ускорение свободного падения не одинаково для разных точек на поверхности нашей планеты. Как известно, измерить ускорение свободного падения можно при помощи простейшего эксперимента: подбросьте шар с определенной скоростью (или на определенную высоту) вверх и измерьте время, которое потребуется для того, чтобы он упал. Простейший расчет даст ускорение свободного падения.
Точные измерения ускорения свободного падения позволяют проводить разнообразные геодезические исследования, а также могут использоваться в навигационных устройствах. Приведенный эксперимент – один из самых простых, но для создания измерительных приборов применяются различные весы и маятники. Связано это с тем, что для проведения измерений по описанной методике всегда использовались макроскопические системы, при этом размер тел и высота их полета не позволяли применять ее в портативных приборах.
В апрельском номере журнала Physical Review Letters описан аналогичный эксперимент в микроскопическом масштабе: при помощи лазерного импульса ученые «подбросили» облако холодных атомов и создали условия, позволяющие им подпрыгивать снова после падения, как будто бы дело происходит на батуте. Отмечая время «взлета» и «падения» атомного облака они могут получить значение ускорения свободного падения с достаточно высокой точностью. Хотя на данном этапе для точных измерений требуется высота в десятки сантиметров и более, это уже существенный шаг к минимизации размеров измерительного устройства.
Эксперимент группы ученых из Университета Вирджинии начался с 10 тысяч атомов рубидия-87, переведенных в конденсат Бозе-Эйнштейна (низкотемпературная жидкость с квантовыми свойствами, пока не изученными до конца; в конденсате Бозе-Эйнштейна все атомы находятся в одинаковом минимальном квантовом состоянии, таким образом, квантовые явления проявляются в макроскопических масштабах). «Падающие» атомы поддерживались лазерными импульсами, направленными снизу вверх и образующими стоячую волну, отражаясь от зеркала наверху камеры. Фокус эксперимента состоял в том, чтобы правильно рассчитать время испускания лазерного импульса так, чтобы момент падающих (и ускоряющихся) атомов был в точности равен моменту фотона. Если это условие выполнено, атом поглощает фотон выпущенный вверх, испуская точно такой же в противоположном направлении (вниз). Это меняет направление движения самого атома, снова подбрасывая его, как на батуте. Корректируя время последовательных импульсов (с точностью порядка 125 миллисекунд) исследователи получили возможность точно измерить продолжительность одного «цикла» в движении атомов и вычислить ускорение свободного падения. В первом эксперименте ошибка составила около 5%, что было объяснено влиянием на движение атомов магнитных сил земли. В дальнейшем, исправляя оценку при помощи применения идей квантовой механики, исследователям удалось добиться точности в 0,04%.
Идея подобного эксперимента была предложена несколько лет назад другими исследователями, но ранее никогда не проверялась.
На данном этапе методика не приводит к более точным результатам, чем были получены в других экспериментах, однако, предполагается, что в будущем данную технику можно будет использовать для создания миниатюрных измерителей ускорения свободного падения, которые можно было бы встраивать в навигационное оборудование.
