Физики сообщили о том, что им удалось зафиксировать эффект гравитационного красного смещения, вызванного перепадом высоты всего лишь в один миллиметр. Для этого им потребовалось сильно улучшить точность атомных часов на основе одномерных оптических решеток. Исследование опубликовано в Nature.
Классическая механика Ньютона согласуется с обыденным человеческим опытом. Но чтобы увидеть релятивистские отклонения от нее, физикам начала XX века потребовалось точное оборудование, способное улавливать тонкие эффекты. С этого момента физика стала развиваться по принципу, согласно которому увеличивающаяся точность эксперимента определяет направление теоретической мысли.
Одним из важнейших инструментов, применяемых на этом пути, стали атомные часы. В их основу положено точное измерение частоты атомного перехода. Наиболее точными часами сегодня считаются оптические атомные часы, которыми физики манипулируют с помощью света. Среди прочих исследований, связанных с проверками фундаментальных теорий, физики применяют такие часы для измерения релятивистских эффектов, в частности, гравитационного красного смещения часовой частоты.
В основе этого эффекта лежит идея гравитационного замедления времени вблизи массивного объекта. На бытовом уровне этот эффект незаметен (мы не стареем ощутимо быстрее, совершая перелеты на большой высоте), но атомные часы способны его уловить — это выяснилось еще в 1971 году. Со временем физики научились измерять красное смещение исключительно на поверхности Земли, обнаруживая его для перепадов высот всего в несколько десятков сантиметров. Эти работы заложили основу релятивистской геодезии, точность которой напрямую зависит от чувствительности частот атомных часов к перепаду высот.
Группа физиков из Великобритании и США при участии Тобиаса Ботвелла (Tobias Bothwell) из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) смогла вывести эту чувствительность на новый уровень. Внеся некоторые модификации в схему работы атомных часов на основе одномерных оптических решеток, они смогли зафиксировать разницу в частотах атомов, расположенных на расстоянии одного миллиметра друга от друга по высоте. Эта разница оказалась в хорошем согласии с поправками на гравитационное красное смещение.
Согласно релятивистским законам относительная разница частот между двумя одинаковыми часами, расположенных на различной высоте, будет пропорциональна расстоянию между ними, умноженному на ускорение свободного падения и поделенному на квадрат скорости света. Несложные расчеты показывают, что градиент вариации относительной частоты будет равен −1,09 × 10−19 обратных миллиметров (эта величина рассчитана для лаборатории JILA, в другой точке планеты она может быть несколько другой в силу вариативности ускорения свободного падения). Таким образом, чтобы достоверно зафиксировать красное смещение на миллиметровом масштабе, точность измерения относительной частоты должна быть на порядок выше.
Для этой цели физики помещали 100000 спин-полязированных атомов стронция при температуре 100 нанокельвин в одномерную оптическую решетку. Система была устроена так, что атомное облако распределялось по ячейкам решетки в области около миллиметра по высоте. Как правило, в подобных часах используется большое число атомов на ячейку при высокой глубине ловушечного потенциала. Таким путем удается достичь внушительных точностей измерения частоты, однако дальнейшее улучшение сдерживают процессы взаимодействия между атомами, а также динамический эффект Штарка, создаваемый интенсивным лазерным полем решетки.
Для борьбы с этими эффектами авторы уменьшали глубину ловушки до нескольких фотонных энергий отдачи. Это приводило к уменьшению штарковского сдвига с одновременной делокализацией атомных волновых функций. Однако при некоторой «магической» глубине ловушки внутриячеечные межатомные взаимодействия компенсировали межъячеечные, что приводило к эффективному сокращению соответствующего шума.
Таким способом ученые добились рекордного времени оптической когерентности для состояния 3P0 атома стронция, равного 37 секундам, и стабильности часов, равной 3,1 × 10−18 на 1 секунду измерения. При измерении относительной частоты для нескоррелированных участков оптической решетки в течение суммарно 92 часов это дало неопределенность, равную 7,6 × 10−21, которой оказалось достаточно, чтобы зафиксировать гравитационное красное смещение. В частности, после учета всех систематических и статистических погрешностей градиент вариации относительной частоты оказался равен (−1,28±0,27) × 10−19 обратных миллиметров только для нескоррелированных участков и (−0,98±0,23) × 10−19 обратных миллиметров для всей решетки в целом. Оба значения оказались в согласии с теоретическим сдвигом.
Описанная работа — это не единственный пример того, как экспериментальная атомная физика позволяет исследовать тонкие релятивистские эффекты. Недавно физики с помощью атомов обнаружили гравитационный эффект Ааронова — Бома.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение