Физики измерили влияние приливных сил на волновую функцию отдельных атомов

При помощи атомного интерферометра ученые смогли зафиксировать эффект искривленного пространства-времени на поведение отдельной частицы. Это достижение стало возможно благодаря существенному прогрессу в методах квантовой оптики и создании ультрахолодных атомов. Работа открывает новые перспективы для прецизионных измерений мировых констант, их временного дрейфа, а также поисков гравитационных волн и частиц темной материи. Статья с результатами исследований опубликована в журнале Physical Review Letters.

Атомные интерферометры похожи на оптические, только вещество и излучение в них играют противоположные роли. Если в оптике светом управляют при помощи отражения от зеркал, то в атомном аналоге лазерные импульсы управляют движением атомов. Таким образом, можно разделить группу атомов, направить по разным путям, а затем заново свести их, получая интерференционную картину. Группа из Стэнфордского университета под руководством Марка Касевича использовала такой прибор для измерения влияния приливных сил.

Гравитационная приливная сила математически является второй пространственной производной гравитационного потенциала, который не может быть измерен непосредственно. Потенциал тесно связан с кривизной пространства-времени через уравнения общей теории относительности. Первая пространственная производная потенциала — ускорение свободного падения — сильно зависит как от потенциала, так и от свойств наблюдателя: ускоренный наблюдатель может не отличить силы инерции от гравитации. Однако кривизна является функцией только потенциала, ее невозможно изменить путем перехода в другую систему отсчета, поэтому измерения сдвигов фаз волновых функций, вызываемые приливными силами, непосредственно характеризуют гравитационное поле, в отличие от сдвигов, вызываемых локальными ускорениями.

В новой работе физики исследовали волновые функции отдельных атомов рубидия температурой 50 нанокельвин в гравитационном поле внутри атомного интерферометра. Частицы подбрасывались на десятиметровую высоту, что позволяло им находиться в состоянии свободного падения около 2,8 секунд. В качестве источника приливных сил использовались свинцовые кирпичи общей массой 84 килограмма, которые устанавливали в разных местах. Перемещать источник притяжения необходимо, чтобы отличить искомый эффект от постоянных воздействий, которые могут имитировать сигнал. Чтобы компенсировать влияние гравитации Земли и вибрации всей установки, был использован второй интерферометр, находящийся достаточно далеко от свинцового груза. Изменяя длину плечей интерферометра, физики убедились в квадратичной зависимости сигнала от расстояния, как и предсказывает теория для случая эффекта, вызванного кривизной пространства.