Фізики повідомили про те, що їм вдалося зафіксувати ефект гравітаційного червоного зміщення, викликаного перепадом висоти всього лише в один міліметр. Для цього їм знадобилося сильно поліпшити точність атомних годин на основі одномірних оптичних решіток. Дослідження опубліковано в.
Класична механіка Ньютона узгоджується з буденним людським досвідом. Але щоб побачити релятивістські відхилення від неї, фізикам початку XX століття знадобилося точне обладнання, здатне вловлювати тонкі ефекти. З цього моменту фізика стала розвиватися за принципом, згідно з яким збільшується точність експерименту визначає напрямок теоретичної думки.
Одним з найважливіших інструментів, що застосовуються на цьому шляху, став атомний годинник. В їх основу покладено точний вимір частоти атомного переходу. Найбільш точними годинами сьогодні вважаються оптичний атомний годинник, яким фізики маніпулюють за допомогою світла. Серед інших досліджень, пов'язаних з перевірками фундаментальних теорій, фізики застосовують такі години для вимірювання релятивістських ефектів, зокрема, гравітаційного червоного зміщення годинникової частоти.
В основі цього ефекту лежить ідея гравітаційного уповільнення часу поблизу масивного об'єкта. На побутовому рівні цей ефект непомітний (ми не старіємо відчутно швидше, здійснюючи перельоти на великій висоті), але атомний годинник здатний його вловити - це з'ясувалося ще в 1971 році. З часом фізики навчилися вимірювати червоне зміщення виключно на поверхні Землі, виявляючи його для перепадів висот всього в кілька десятків сантиметрів. Ці роботи заклали основу релятивістської геодезії, точність якої безпосередньо залежить від чутливості частот атомного годинника до перепаду висот.
Група фізиків з Великобританії і США за участю Тобіаса Ботвелла (Tobias Bothwell) з Об'єднаного інституту лабораторної астрофізики (JILA) змогла вивести цю чутливість на новий рівень. Внісши деякі модифікації в схему роботи атомних годинників на основі одномірних оптичних решіток, вони змогли зафіксувати різницю в частотах атомів, розташованих на відстані одного міліметра одного від одного по висоті. Ця різниця виявилася в хорошій згоді з поправками на гравітаційне червоне зміщення.
Згідно з релятивістськими законами відносна різниця частот між двома однаковими годинами, розташованих на різній висоті, буде пропорційна відстані між ними, помноженій на прискорення вільного падіння і поділеному на квадрат швидкості світла. Нескладні розрахунки показують, що градієнт варіації відносної частоти дорівнюватиме ‑ 1,09 ст.1 10 ‑ 19 зворотних міліметрів (ця величина розрахована для лабораторії JILA, в іншій точці планети вона може бути дещо іншою в силу варіативності прискорення вільного падіння). Таким чином, щоб достовірно зафіксувати червоне зміщення на міліметровому масштабі, точність вимірювання відносної частоти повинна бути на порядок вище.
Для цієї мети фізики поміщали 100000 спин-полязованих атомів стронцію при температурі 100 нанокельвін в одномірну оптичну решітку. Система була влаштована так, що атомна хмара розподілялася по комірках решітки в області близько міліметра по висоті. Як правило, у подібному годиннику використовується велика кількість атомів на комірку при високій глибині пасткового потенціалу. Таким шляхом вдається досягти значних точностей вимірювання частоти, проте подальше поліпшення стримують процеси взаємодії між атомами, а також динамічний ефект Штарка, створюваний інтенсивним лазерним полем решітки.
Для боротьби з цими ефектами автори зменшували глибину пастки до декількох фотонних енергій віддачі. Це призводило до зменшення штарківського зрушення з одночасною делокалізацією атомних хвильових функцій. Однак при деякій «магічній» глибині пастки внутрішньосередкові міжатомні взаємодії компенсували межячеечные, що призводило до ефективного скорочення відповідного шуму.
Таким способом вчені домоглися рекордного часу оптичної когерентності для стану 3P0 атома стронція, рівного 37 секундам, і стабільності годинників, рівної 3,1 10 ‑ 18 при секундному часі вимірювання. При вимірюванні відносної частоти для нескорельованих ділянок оптичної решітки протягом сумарно 92 годин це дало невизначеність, рівну 7,6 10 ‑ 21, якої виявилося достатньо, щоб зафіксувати гравітаційне червоне зміщення. Зокрема, після врахування всіх систематичних і статистичних похибок градієнт варіації відносної частоти виявився рівним (‑ 1,28 0,27) ст.1 10 ‑ 19 зворотних міліметрів тільки для нескорельованих ділянок і (‑ 0,98 0,23) 10 ‑ 19 зворотних міліметрів для всієї решітки в цілому. Обидва значення виявилися у згоді з теоретичним зрушенням.
Описана робота - це не єдиний приклад того, як експериментальна атомна фізика дозволяє досліджувати тонкі релятивістські ефекти. Нещодавно фізики за допомогою атомів виявили гравітаційний ефект Ааронова - Бома.