Космічні атоми передвіщають нові випробування принципу еквівалентності Ейнштейна – Physics World

Космічні атоми передвіщають нові випробування принципу еквівалентності Ейнштейна – Physics World

Мітка часу: 8 березня 2024 р., 4:30


Фотографія Міжнародної космічної станції на орбіті навколо Землі з падаючим яблуком і апельсином, накладеними поверх нього
Вільне падіння: принцип еквівалентності Ейнштейна стверджує, що рух вільно падаючих тіл (чи то яблук, апельсинів чи будь-чого іншого) не залежить від їх складу. Лабораторія холодних атомів на борту Міжнародної космічної станції прагне перевірити цей принцип за допомогою ультрахолодних атомів з різними масами. (З дозволу: Алі Лезейк, адаптація оригінального зображення Роскосмосу/НАСА)

Рух тіл, що вільно падають, не залежить від їх складу. Це одна з основ принципу еквівалентності Ейнштейна (EEP), який лежить в основі нашого сучасного розуміння гравітації. Однак цей принцип знаходиться під постійним контролем. Будь-які його порушення дадуть нам підказки в наших пошуках темної енергії та темної матерії, а також спрямують наше розуміння чорних дір та інших систем, де зустрічаються гравітація та квантова механіка.

Вчені зі США, Франції та Німеччини створили нову систему для тестування EEP: суміш двох ультрахолодних квантових газів, яка обертається навколо Землі на борту Міжнародної космічної станції (МКС). Вони також продемонстрували перший двовидовий атомний інтерферометр у космосі, який вони описують як «важливий крок» до тестування EEP. Питання, на яке вони хочуть відповісти за допомогою цього експерименту, просте: чи два атоми різних мас падають з однаковою швидкістю?

Холодні атоми на МКС

МКС є домом для Лабораторія холодного атома (CAL), який є «майданчиком» для атомів у космосі. Запущений у 2018 році, у 2020 році він створив перший космічний конденсат Бозе-Ейнштейна (BEC) – особливий стан речовини, який досягається після охолодження атомів до температур трохи вище абсолютного нуля. Цей перший квантовий газ складався з ультрахолодних атомів рубідію, але після модернізації в 2021 році CAL також містить мікрохвильове джерело для створення квантових газів з атомів калію.

В останній роботі, яка описана в природа, вчені CAL створили на МКС квантову суміш обох видів. «Створення цієї квантової суміші в космосі є важливим кроком до розробки високоточних вимірювань для перевірки принципу еквівалентності Ейнштейна», — говорить Габріель Мюллер, докторант університету Лейбніца в Ганновері, Німеччина, який бере участь в експерименті.

Щоб досягти цієї суміші, команда замкнула атоми рубідію в магнітну пастку та дозволила найбільш енергійним «гарячим» атомам випаруватися з пастки, залишивши «холодні» атоми. Зрештою це призводить до фазового переходу в квантовий газ, коли атоми падають нижче певної критичної температури.

Хоча цей процес також працює для атомів калію, одночасне випаровування обох видів в одній пастці непросте. Оскільки внутрішня енергетична структура атомів рубідію та калію різна, їхні початкові температури в пастці змінюються, а також оптимальні умови пастки та час випаровування, необхідний для досягнення критичної температури. У результаті вченим довелося звернутися до іншого рішення. «Квантовий газ калію не утворюється за допомогою випарного охолодження, а охолоджується «симпатично» через прямий тепловий контакт із випаровуваним ультрахолодним газом рубідієм», — пояснює Мюллер.

Створення цього квантового газу в космосі має свої переваги, додає він. «На Землі є гравітаційне провисання, що означає, що два атоми різної маси не будуть знаходитися в одному місці в пастці. У космосі, з іншого боку, гравітаційна взаємодія слабка, і два види перекриваються». Цей аспект роботи в умовах мікрогравітації має важливе значення для проведення експериментів, спрямованих на спостереження за взаємодією між двома видами, які інакше були б захоплені дією гравітації на Землі.

Вирішальна роль квантової інженерії стану

Виробництво квантової суміші атомів рубідію та калію наближає команду CAL до тестування EEP, але інші елементи експерименту все ще потрібно приборкати. Наприклад, хоча два види перекриваються в пастці, коли вони звільняються з неї, їх початкові позиції дещо відрізняються. Мюллер пояснює, що частково це пов’язано з властивостями кожного виду атомів, які призводять до різної динаміки, але це також пов’язано з тим, що вивільнення пастки не є миттєвим, тобто один із видів відчуває залишкову магнітну силу відносно іншого. Такі систематичні наслідки можуть легко представити себе як порушення EEP, якщо не вжити належних заходів.

З цієї причини вчені звернули увагу на характеристику систематики своєї пастки та зменшення небажаного шуму. «Це робота, яка активно ведеться в Ганновері, щоб створити добре розроблені вхідні стани обох видів, що буде вирішальним, оскільки вам потрібні однакові початкові умови перед тим, як запускати інтерферометр», — каже Мюллер. Одним із рішень проблеми початкового положення, додає він, було б повільне переміщення обох видів в одне положення перед вимкненням магнітної пастки. Хоча це можна зробити з високою точністю, це відбувається за рахунок нагрівання атомів і втрати деяких з них. Тому вчені сподіваються використовувати машинне навчання, щоб оптимізувати транспортний механізм і таким чином досягти аналогічного контролю над динамікою атома, але набагато швидше.

Зображення, на якому показано шість червоних лазерних променів, що перетинаються всередині камери з мікросхемою, підвішеною над нею
Охолодження атомів у космосі: схема Лабораторії холодних атомів NASA (CAL), що показує розташування лазерних променів і атомного чіпа. (Надано: NASA/JPL)

Двовидовий атомний інтерферометр у космосі

Як тільки ці проблеми будуть вирішені, наступним кроком буде проведення тесту EEP з використанням подвійної атомної інтерферометрії. Це передбачає використання світлових імпульсів для створення когерентної суперпозиції двох ультрахолодних атомних хмар, а потім їх рекомбінації та дозволу їм взаємодіяти після певного часу вільної еволюції. Інтерференційна картина містить цінну інформацію про прискорення суміші, з якої вчені можуть дізнатися, чи зазнали обидва види однакове гравітаційне прискорення.

Обмежуючим фактором у цій техніці є те, наскільки добре перекриваються положення лазерного променя та атомного зразка. «Це найскладніша частина», — підкреслює Мюллер. Одна з проблем полягає в тому, що коливання на МКС викликають вібрацію лазерної системи, вносячи в систему фазовий шум. Інша проблема полягає в тому, що різна структура рівня маси та атомної енергії обох видів призводить до того, що вони по-різному реагують на вібраційний шум, створюючи дефазування між двома атомними інтерферометрами.

В останній роботі вчені продемонстрували одночасну атомну інтерферометрію суміші та виміряли відносну фазу між інтерференційною картиною атомів рубідію та калію. Однак вони добре усвідомлюють, що така фаза, швидше за все, пов’язана з джерелами шуму, з якими вони борються, а не з порушенням EPP.

Майбутні місії

На МКС був запущений новий науковий модуль з метою збільшення числа атомів, удосконалення лазерних джерел і впровадження нових алгоритмів в експериментальну послідовність. Однак, по суті, вчені CAL прагнуть продемонструвати інерційну точність вимірювання, що перевищує поточний рівень техніки. «Такі усвідомлення є важливою віхою на шляху до майбутніх супутникових місій, які випробовують універсальність вільного падіння до безпрецедентних рівнів», — каже Hannover's Насер Галул, співавтор останньої статті.

Одним із прикладів, який згадує Гаалул, є пропозиція STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), яка буде чутливою до різниць у прискоренні всього лише 10-17 м / с2. Ця точність еквівалентна тому, щоб упустити яблуко та апельсин і через одну секунду виміряти різницю в їхньому положенні з точністю до радіуса протона. Космос, як відомо, важкий, але атомна інтерферометрія в космосі ще складніша.

Часова мітка:

Більше від Світ фізики