Vesoljski atomi napovedujejo nove preizkuse Einsteinovega načela enakovrednosti – Svet fizike

Vesoljski atomi napovedujejo nove preizkuse Einsteinovega načela enakovrednosti – Svet fizike

Časovni žig: 8. marec 2024 4


Fotografija Mednarodne vesoljske postaje v orbiti okoli Zemlje s padajočim jabolkom in pomarančo na vrhu
Prosto padanje: Einsteinovo načelo enakovrednosti pravi, da je gibanje prosto padajočih teles (bodisi jabolka, pomaranče ali kar koli drugega) neodvisno od njihove sestave. Laboratorij za hladne atome na Mednarodni vesoljski postaji želi preizkusiti to načelo z uporabo ultrahladnih atomov z različnimi masami. (Z dovoljenjem: Ali Lezeik, prilagoditev izvirne slike Roskozmosa/NASA)

Gibanje prosto padajočih teles je neodvisno od njihove sestave. To je eden od temeljev Einsteinovega načela enakovrednosti (EEP), ki podpira naše sodobno razumevanje gravitacije. To načelo pa je pod stalnim nadzorom. Morebitne kršitve bi nam dale namige pri našem iskanju temne energije in temne snovi, hkrati pa bi vodile naše razumevanje črnih lukenj in drugih sistemov, kjer se srečata gravitacija in kvantna mehanika.

Znanstveniki iz ZDA, Francije in Nemčije so zdaj ustvarili nov sistem za testiranje EEP: mešanico dveh ultrahladnih kvantnih plinov, ki kroži okoli Zemlje na Mednarodni vesoljski postaji (ISS). Predstavili so tudi prvi atomski interferometer z dvojno vrsto v vesolju, ki ga opisujejo kot "pomemben korak" k testiranju EEP. Vprašanje, na katerega želijo odgovoriti s tem poskusom, je preprosto: ali dva atoma različnih mas padata z enako hitrostjo?

Hladni atomi na ISS

ISS je dom za Laboratorij za hladne atome (CAL), ki je »igrišče« za atome v vesolju. Izstreljen leta 2018, je leta 2020 ustvaril prvi vesoljski Bose-Einsteinov kondenzat (BEC) – posebno stanje snovi, doseženo po ohlajanju atomov na temperature tik nad absolutno ničlo. Ta prvi kvantni plin je bil sestavljen iz ultrahladnih rubidijevih atomov, vendar po nadgradnji leta 2021 CAL gosti tudi mikrovalovni vir za izdelavo kvantnih plinov iz kalijevih atomov.

V zadnjem delu, ki je opisano v Narava, so znanstveniki CAL ustvarili kvantno mešanico obeh vrst na ISS. "Ustvarjanje te kvantne mešanice v vesolju je pomemben korak k razvoju visoko natančnih meritev za testiranje Einsteinovega načela enakovrednosti," pravi Gabriel Müller, doktorski študent na univerzi Leibniz v Hannovru v Nemčiji, ki sodeluje pri poskusu.

Da bi dosegli to mešanico, je ekipa omejila atome rubidija v magnetno past in omogočila, da najbolj energični "vroči" atomi izhlapijo iz pasti, za seboj pa pustijo "hladne" atome. To sčasoma vodi do faznega prehoda v kvantni plin, ko atomi padejo pod določeno kritično temperaturo.

Medtem ko ta postopek deluje tudi za atome kalija, hkratno izhlapevanje obeh vrst v isti pasti ni preprosto. Ker je notranja energetska struktura rubidijevih in kalijevih atomov različna, se njuni začetni temperaturi v pasti spreminjata, prav tako se spreminjajo optimalni pogoji pasti in čas izhlapevanja, potreben za dosego kritične temperature. Posledično so se morali znanstveniki obrniti na drugačno rešitev. »Kalijev kvantni plin ne nastane s hlajenjem z izhlapevanjem, ampak se 'simpatično' ohladi z neposrednim toplotnim stikom z izparenim ultrahladnim plinom rubidijem,« pojasnjuje Müller.

Ustvarjanje tega kvantnega plina v vesolju ima svoje prednosti, dodaja. »Na Zemlji je gravitacijski upad, kar pomeni, da dva atoma različnih mas ne bosta na istem položaju v pasti. Po drugi strani pa je v vesolju gravitacijska interakcija šibka in obe vrsti se prekrivata." Ta vidik dela v mikrogravitaciji je bistvenega pomena za izvajanje poskusov, namenjenih opazovanju interakcij med obema vrstama, ki bi jih sicer ugrabili učinki gravitacije na Zemlji.

Ključna vloga kvantnega inženiringa stanja

Izdelava kvantne mešanice atomov rubidija in kalija pripelje ekipo CAL korak bližje testiranju EEP, vendar je treba druge elemente eksperimenta še ukrotiti. Na primer, čeprav se dve vrsti v pasti prekrivata, sta njuna začetna položaja, ko ju izpustita iz nje, nekoliko drugačna. Müller pojasnjuje, da je to deloma posledica lastnosti vsake atomske vrste, ki vodijo do drugačne dinamike, vendar je tudi posledica tega, da sprostitev pasti ni trenutna, kar pomeni, da ena od vrst doživi preostalo magnetno silo glede na drugo. Takšni sistematični učinki bi se zlahka predstavljali kot kršitev EEP, če zanje ne bi ustrezno poskrbeli.

Zaradi tega so znanstveniki svojo pozornost usmerili v opredelitev sistematike njihove pasti in zmanjšanje neželenega hrupa. "To je delo, ki se aktivno izvaja v Hannovru, da bi ustvarili dobro zasnovana vhodna stanja obeh vrst, kar bo ključnega pomena, saj potrebujete podobne začetne pogoje, preden zaženete interferometer," pravi Müller. Ena od rešitev problema začetnega položaja, dodaja, bi bila počasen transport obeh vrst v en sam položaj, preden izklopite magnetno past. Čeprav je to mogoče storiti z visoko natančnostjo, pride na račun segrevanja atomov in izgube nekaterih od njih. Znanstveniki zato upajo, da bodo s strojnim učenjem optimizirali transportni mehanizem in s tem dosegli podoben nadzor nad atomsko dinamiko, vendar veliko hitreje.

Slika, ki prikazuje šest rdečih laserskih žarkov, ki prečkajo komoro s čipom, obešenim nad njo
Hlajenje atomov v vesolju: Shema Nasinega laboratorija za hladne atome (CAL), ki prikazuje razporeditev laserskih žarkov in atomskega čipa. (Z dovoljenjem: NASA/JPL)

Atomski interferometer dvojne vrste v vesolju

Ko bodo te težave odpravljene, bo naslednji korak izvedba testa EEP z uporabo atomske interferometrije z dvojno vrsto. To vključuje uporabo svetlobnih impulzov za ustvarjanje koherentne superpozicije dveh ultrahladnih atomskih oblakov, nato pa njihovo ponovno združevanje in dovolitev, da interferirajo po določenem prostem času evolucije. Interferenčni vzorec vsebuje dragocene informacije o pospešku mešanice, iz katerih lahko znanstveniki izluščijo, ali sta obe vrsti doživeli enak gravitacijski pospešek.

Omejitveni dejavnik pri tej tehniki je, kako dobro se položaji laserskega žarka in atomskega vzorca prekrivajo. "To je najbolj zapleten del," poudarja Müller. Eden od problemov je, da vibracije na ISS povzročijo vibriranje laserskega sistema in v sistem vnesejo fazni šum. Druga težava je, da se različna masa in struktura ravni atomske energije obeh vrst vodi do tega, da se različno odzivata na vibracijski hrup, kar povzroča defaziranje med obema atomskima interferometroma.

V zadnjem delu so znanstveniki pokazali sočasno atomsko interferometrijo mešanice in izmerili relativno fazo med interferenčnim vzorcem atomov rubidija in kalija. Vendar se dobro zavedajo, da je taka faza verjetno posledica virov hrupa, ki se jih lotevajo, ne pa kršitve EPP.

Prihodnje misije

Na ISS je bil izstreljen nov znanstveni modul s ciljem povečanja števila atomov, izboljšanja laserskih virov in implementacije novih algoritmov v eksperimentalno zaporedje. V bistvu pa si znanstveniki CAL prizadevajo dokazati inercijsko natančno merjenje, ki presega trenutno stanje tehnike. "Takšna spoznanja so pomembni mejniki v smeri prihodnjih satelitskih misij, ki preizkušajo univerzalnost prostega pada do ravni brez primere," pravi Hannoverjev Naceur Gaaloul, soavtor nedavnega prispevka.

Eden od primerov, ki jih omenja Gaaloul, je predlog STE-QUEST (Raziskovalec vesolja-časa in vesoljski test načela kvantne enakovrednosti), ki bi bil občutljiv na razlike v pospešku le 10-17 m / s2. Ta natančnost je enakovredna padcu jabolka in pomaranče ter po eni sekundi merjenju razlike v njunem položaju do polmera protona. Znano je, da je vesolje težko, vendar je atomska interferometrija v vesolju še težja.

Časovni žig:

Več od Svet fizike