Η αρχή της ισοδυναμίας δοκιμάζεται στο επίπεδο των ατόμων

Πηγή: PhysicsWeb, 16 Νοεμβρίου 2004

Οι φυσικοί στη Γερμανία χρησιμοποίησαν ένα ατομικό συμβολόμετρο για να εκτελέσουν την πιο ακριβή δοκιμασία που έγινε ποτέ της Αρχής της Ισοδυναμίας στο επίπεδο των ατόμων. Ο Sebastian Fray μαζί με συνάδελφους του στο Ινστιτούτο Max Planck για την κβαντική οπτική και στα Πανεπιστήμια του Μονάχου και του Tuebingen, σύγκρινε την επιτάχυνση δύο ισοτόπων του ρουβιδίου στο πεδίο βαρύτητας της Γης. Όπως αναμενόταν τα άτομα επιταχύνθηκαν με το ίδιο ποσοστό.

Η ασθενής Αρχή της Ισοδυναμίας είναι ένας ακρογωνιαίος λίθος της Γενικής Σχετικότητας και υποστηρίζει ότι, αν δεν υπάρχουν άλλες δυνάμεις, όλα τα αντικείμενα πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση κάτω από την επίδραση της βαρύτητας. Τα πειράματα που περιλαμβάνουν ανακλώμενες ακτίνες λέιζερ από κάτοπτρα στο φεγγάρι έχουν επιβεβαιώσει ότι η Γη και το φεγγάρι επιταχύνονται προς τον ήλιο με το ίδιο ρυθμό με μια ακρίβεια καλύτερη από 1 μέρος προς 10¹³. Εντούτοις, μερικοί θεωρητικοί προβλέπουν ότι μπορεί να προκύψει μια νέα φυσική, όταν εκτελούνται τα πειράματα της βαρύτητας με κβαντικά αντικείμενα όπως είναι τα άτομα.

Ένα συμβατικό συμβολόμετρο λειτουργεί διαχωρίζοντας μια συμφασική ακτίνα του φωτός και έπειτα επανασυνδέει τα διαφορετικά τμήματα της σε έναν ανιχνευτή. Εάν τα δύο συστατικά μέρη της ακτίνας είναι σε φάση όταν αυτά συμβάλουν, τότε με τη συμβολή γίνεται ενίσχυση. Εντούτοις, εάν τα δύο μέρη δεν είναι σε φάση, ακυρώνουν το ένα το άλλο (έχουμε απόσβεση). Το γεγονός αυτό οδηγεί σε φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθούν πολύ μικρές αποστάσεις.

Η ατομική συμβολομετρία είναι παρόμοια με την προηγούμενη μέθοδο αλλά στηρίζεται σε ακτίνες ατόμων κι όχι σε ακτίνες του φωτός. Επιπλέον, τα στάσιμα οπτικά κύματα χρησιμοποιούνται για διαχωρισμό και συμβολή των ακτίνων. Τα ατομικά συμβολόμετρα έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για να μετρήσουν τη γήινη βαρύτητα με μια ακρίβεια 10 ^-9.

Ο Fray και οι συνάδελφοι του άρχισαν συλλαμβάνοντας περίπου δύο δισεκατομμύρια άτομα ρουβίδιο- 85 ή ρουβίδιο- 87 με μια μαγνητο-οπτική παγίδα. Κατόπιν χρησιμοποίησαν ακτίνες λέιζερ για να επιταχύνουν προς τα πάνω τα άτομα. Όταν έσβησαν οι ακτίνες λέιζερ, τα άτομα έπεσαν προς τα κάτω με την επίδραση της βαρύτητας. Το συμβολόμετρα βοήθησαν την ομάδα να μετρήσει τις επιταχύνσεις, g₈₅ and g₈₇, και των δύο τύπων των ατόμων.

Η ομάδα τότε μέτρησε ότι η σχετική μεταβολή ^{(g85 - g87)/g85} ήταν 1,2 X 10 -7, με ένα περιθώριο λάθους 1,7 X 10^-7, σε συμφωνία με την αρχή της ισοδυναμίας. Ο Fray επίσης διαπίστωσε ότι η σχετική επιτάχυνση των ατόμων ρουβίδιο- 85 με δύο διαφορετικές εσωτερικές καταστάσεις ήταν η ίδια εντός του περιθωρίου λάθους που αναγνωρίζεται. Τα νέα πειράματα είναι ακριβέστερα κατά ένα παράγοντα τρία από τις προηγούμενες δοκιμές της Γενικής Σχετικότητας με τα άτομα.