Auf diesem Foto sind Gruppierungen von etwa zehntausend Cäsiumatomen zu sehen, die in einer Vakuumkammer schweben und durch gekreuzte Laserstrahlen schweben, die ein stabiles optisches Gitter erzeugen. Oben sind ein zylindrisches Wolframgewicht und seine Halterung zu sehen. Bildnachweis: Cristian Panda, UC Berkeley
Um die Schwerkraft zu untersuchen, reichte es einst aus, einen Gegenstand von oben fallen zu lassen, wie im Fall des Galilei zugeschriebenen berühmten Experiments, bei dem schwere Körper vom Turm von Pisa fielen. Die heute noch unbeantworteten grundlegenden physikalischen Fragen – und davon gibt es viele – rund um diese nach wie vor irreduzibleste aller Kräfte, die einzige, die sich noch einer Theorie von allem widersetzt, erfordern enorm komplexere Experimente. Über Experimente wie das, das von einem Team von Physikern der University of California in Berkeley vorbereitet wurde, wurde diese Woche auf den Seiten von berichtet Natur, um nach winzigen Abweichungen von der allgemein akzeptierten Theorie der Schwerkraft zu suchen. Abweichungen, die, wenn sie gefunden werden, Hinweise geben könnten, um beispielsweise mehr über die Natur der Dunklen Energie zu verstehen. Obwohl die Forscher keine Abweichung von Newtons Gravitationstheorie fanden, versprechen die erwarteten Verbesserungen der Präzision des Experiments, Beweise zu finden, die Theorien wie die über eine hypothetische teilchenvermittelte „fünfte Kraft“, sogenanntes „Chamäleon“, stützen oder widerlegen. oder „Symmetrons“, Kandidaten zur Erklärung der dunklen Energie.
Das Experiment wurde im Anschluss an andere Analoga durchgeführt, über die wir bereits geschrieben haben Medieninaf, kombiniert ein Atominterferometer, mit dem wir die Schwerkraft präzise messen können, mit einem optischen Gitter, das kleine Gruppen von Atomen – in diesem Fall Gruppen von etwa zehntausend Cäsiumatomen – in Position halten, kühlen und mit einem System aus Atomen einfangen kann Laserstrahlen, relativ sehr lange, bis zu 70 Sekunden. Dies ermöglicht uns eine Messung der gravitativen Anziehungskraft, die eine kleine Masse – ein Wolframzylinder – auf Atome ausübt – fünfmal präziser als die beste heute verfügbare Messung.
Schematische Darstellung des an der UC Berkeley durchgeführten Experiments. Kleine Cluster von Cäsiumatomen (in Rosa) wurden in einer vertikalen Vakuumkammer immobilisiert, dann wurde jedes Atom in zwei Wellenpakete (in Weiß und Hellblau) aufgeteilt, sodass sie sich in einer Quantenüberlagerung von zwei „Höhen“ befanden, der oberen Die „Hälfte“ (in Weiß) ist der Wolframmasse (dem glänzenden Zylinder) am nächsten und die andere „Hälfte“ (in Hellblau) tiefer. Bei der Rekombination der Wellenpakete kommt es zu Interferenzen, die es ermöglichen, den Unterschied in der Anziehungskraft zwischen den beiden „Hälften“ zu messen. Bildnachweis: Cristian Panda/UC Berkeley
Aber wie funktioniert es? „In einer ersten Phase werden die Cäsiumatome mit Laserlicht auf eine Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt und in leuchtenden „Löchern“ in der Nähe eines kleinen Wolframzylinders eingefangen“, erklärt er Medieninaf einer der Co-Autoren der Studie, Guglielmo Maria Tino der Universität Florenz. „Anschließend entsteht ein Atominterferometer: Jedes Atom wird für einige Sekunden in einen Quantenzustand gebracht, in dem es sich gleichzeitig an zwei verschiedenen Positionen befindet, in denen die Werte des von der Quellmasse erzeugten Gravitationsfelds unterschiedlich sind.“ Bei der erneuten Überlagerung der beiden Teile wird ein Quanteninterferenzeffekt beobachtet, aus dem sich die gravitative Anziehungskraft messen lässt, die die Wolframmasse auf die Atome ausübt.
„Im Vergleich zu früheren Experimenten zur Untersuchung von Gravitationseffekten, die auf Atominterferometrie basieren, wie sie meine Gruppe seit etwa zwanzig Jahren in Florenz durchführt, liegt die Besonderheit dieser Arbeit in der geringen verwendeten Quellenmasse“, fährt Tino fort. durch Einbeziehung der Notwendigkeit, die Empfindlichkeit des Atominterferometers zu optimieren und gleichzeitig mögliche systematische Effekte zu kontrollieren.“
Der Hauptzweck dieser Experimente besteht, wie gesagt, darin, Antworten auf die großen ungelösten Probleme der Grundlagenphysik zu finden, von der Natur der Dunklen Energie bis zur Suche nach einer Quantenformulierung der Schwerkraft. „Die meisten Theoretiker stimmen darin überein, dass Schwerkraft Quanten ist, aber niemand hat jemals eine experimentelle Signatur in dieser Hinsicht beobachtet“, erinnert sich ein anderer Autor der Studie in diesem Zusammenhang: Holger Müller der UC Berkeley. „Wenn wir unsere Atome 20- bis 30-mal länger als je zuvor festhalten könnten, wäre die Wahrscheinlichkeit, dass wir Beweise dafür finden, dass es sich bei der Schwerkraft tatsächlich um Quantenphysik handelt, 400.000 bis 800.000-mal wahrscheinlicher.“
Das Atomgitterinterferometer kann als Quantensensor auch für „alltäglichere“ Anwendungen verwendet werden, die präzise Messungen der Schwerkraft erfordern. «Die Atominterferometrie reagiert besonders empfindlich auf Schwerkraft- oder Trägheitseffekte. „Es ist möglich, es zum Bau von Gyroskopen und Beschleunigungsmessern zu nutzen“, betont der Erstautor der Studie. Christian Panda, von UC Berkeley. „Dies gibt der Atominterferometrie eine neue Richtung, bei der Quantenmessungen von Schwerkraft, Beschleunigung und Rotation durchgeführt werden könnten, wobei Atome dank optischer Gitter in einer kompakten Struktur gehalten werden, die Umweltmängeln oder Lärm standhält.“
„Solche Geräte“, so Tino abschließend, „könnten beispielsweise bei der Suche nach unterirdischen Hohlräumen und Bodenschätzen, bei der Überwachung aktiver Vulkane und bei der Untersuchung von Erdbeben eingesetzt werden.“
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