Тяжелые измерения

Измерить гравитационную постоянную помогли атомные интерферометры

Изображение: www.cfa.harvard.edu

Группа физиков из Италии и Нидерландов представила новые результаты измерения гравитационной константы, впервые сделанные при помощи специальных устройств — атомных интерферометров. Значение, полученное учеными для постоянной: 6.67191(99)x10-11 (метр)3 (килограмм)-1 (секунда)-2 с точностью 0,015 процентов. Такие измерения являются важными не только для метрологии и систем геостационарного позиционирования, но и для исследований космоса и проверки моделей, основанных на общей теории относительности и современной космологии. «Лента.ру» решила выяснить, как проводилось измерение гравитационной постоянной, и к каким выводам пришли ученые в результате своих измерений.

Применение атомных интерферометров является относительно новым, но перспективным направлением в измерении гравитационных эффектов. Так, гироскоп, в работе которого используется эффект Саньяка, применялся для измерения ускорения, вызванного взаимодействием гравитирующих тел, в экспериментах по проверке закона всемирного тяготения и в геофизике. Ученые впервые использовали атомный интерферометр для прецизионного измерения значения гравитационной постоянной.

Относительная слабость гравитационного взаимодействия делает измерение его постоянной достаточно трудной задачей. В настоящее время в мире проведено около 300 измерений постоянной тяготения, начиная с классических опытов Кавендиша. Значение гравитационной постоянной исследователи определяли из закона всемирного тяготения Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя массивными точками пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. В качестве коэффициента пропорциональности выступает гравитационная постоянная, которая носит универсальный характер, а ее конкретное значение зависит от выбора системы единиц измерения.

Гравитационная константа входит в число шести фундаментальных физических постоянных, значение которых определяется экспериментом и, как считается, значительно не меняется (в пространстве и времени). Эти постоянные фигурируют во всех основных законах и уравнениях физики, через них выражаются многие другие производные постоянные. Кроме постоянной тяготения, к таким константам относятся значения скорости света в вакууме и элементарного электрического заряда, а также постоянные Планка, Больцмана и Дирака.

Установка устроена следующим образом. В вакуумной камере в нижней части аппарата магнитооптическая ловушка собирает 109 атомов рубидия. После включения магнитного поля атомы поднимаются вверх по вертикали и оказываются между двумя группами вольфрамовых цилиндров. Всего в эксперименте использовались 24 цилиндра, изготовленных из сплава вольфрама, общей массой 516 килограмм. Каждый такой цилиндр имел имел диаметр 99 миллиметров и высоту около 150 миллиметров. Эти цилиндры помещались на две титановые платформы и располагались вокруг вертикальной оси с гексагональной симметрией.

Далее, чтобы исключить влияние тепловых флуктуаций, атомы охлаждают до четырех милликельвинов. В установке используются две атомные группировки, которые поднимаются на высоту около 60 и 90 сантиметров, так что расстояние по вертикали между ними составляет 328 миллиметров. Атомы в группировках находятся в специальных возбужденных состояниях. Те из них, которые находятся в состояниях, отличных от необходимых для эксперимента, удаляются.

Ученые измеряли изменения расположения верхней и нижней атомных группировок для двух положений системы цилиндров: F и C. В первом случае два набора цилиндров находились у края оснований установки, во втором — у центра. Перемещая цилиндры между положениями F и C, ученые с помощью атомной интерферометрии определяли изменения в значении величины напряженности гравитационного поля (ускорении свободного падения).

Частоты импульсов лазера настроены на резонансную частоту сверхтонкого перехода между двумя уровнями энергий атомов. Переход между двумя такими уровнями в атомах, спровоцированный излучением от лазера, вызывает изменение их внутренних энергий и импульсов и сопровождается излучением фотонов. Интерферометр разделяет это излучение на две пространственно разнесенные когерентные части, которые, проходя разные оптические пути, на экране при наложении друг на друга создают интерференционную картину чередующихся максимумом и минимумов. Расположение минимумов и максимумов на картине зависит от разности фаз падающих пучков света.

Между тем в однородном гравитационном поле атомы при перемещении испытывают фазовый сдвиг. Таким образом, по изменению этих сдвигов и перемещений ученые могут определить локальные изменения в значении ускорения свободного падения, а следовательно, и гравитационной постоянной.

На точность работы интерферометра, кроме внешних факторов, связанных с антропогенной вибрацией, сейсмическими шумами и вращением Земли (которое сказывается на расположении атомов в поперечном направлении), оказывали влияние и факторы, связанные с конструктивными особенностями установки. Прежде всего, это возможные погрешности в определении точного положения массивных источников (по вертикали и горизонтали) и неоднородности их плотности.

Ученые считают, что их работа позволит провести систематический анализ возможных ошибок, встречающихся в экспериментах по определению гравитационной постоянной. Кроме того, проведенный эксперимент открывает новые возможности в измерении гравитационной постоянной с помощью ультрахолодных атомов, заключенных в оптические ловушки. Как уже упоминалось ранее, точное определение значения гравитационной постоянной необходимо для геодезической гравиметрии (измерения силы тяжести в различных областях и на различных высотах Земли), а также для фундаментальных наук: современных космологии, теории гравитации и физики частиц.

Обсудить
Displaced people from the minority Yazidi sect, fleeing violence from forces loyal to the Islamic State in Sinjar town, walk towards the Syrian border, on the outskirts of Sinjar mountain, near the Syrian border town of Elierbeh of Al-Hasakah Governorate August 11, 2014. Islamic State militants have killed at least 500 members of Iraq's Yazidi ethnic minority during their offensive in the north, Iraq's human rights minister told Reuters on Sunday. The Islamic State, which has declared a caliphate in parts of Iraq and Syria, has prompted tens of thousands of Yazidis and Christians to flee for their lives during their push to within a 30-minute drive of the Kurdish regional capital Arbil. Picture taken August 11, 2014. REUTERS/Rodi Said (IRAQ - Tags: POLITICS CIVIL UNREST TPX IMAGES OF THE DAY) FOR BEST QUALITY IMAGE ALSO SEE: GM1EA8M1B4V01Дважды отверженные
Почему от женщин, вырвавшихся из плена боевиков, отворачивается общество
Атака на Вестминстер
Неизвестные пытались проникнуть в здание дворца, где заседает парламент Британии
Китайский интерес
Пекин желает смерти уйгурским боевикам в Сирии, но вмешиваться в войну не готов
«Я стала плевать кровью на снег»
Как выстрел в лицо офицеру МВД обернулся обвинениями в самостреле: расследование
Срисовали
Как разоблачили банду, охотившуюся на картины знаменитых художников
Истребитель Су-30МКМ королевских ВВС МалайзииБросившие вызов
Что значит Малайзия для российской авиации
«Резня была бы хлеще, чем в Донбассе»
Монолог командира самообороны Севастополя о Крымской весне
«Главное — убедить людей, что они счастливы»
Джон Стейнбек и Роберт Капа о советских застольях, писателях и правительстве
Лицом к человеку
Почему холокост и сталинские репрессии породили схожие процессы в Европе и СССР
Дональд Рейфилд«Не убивать Сталина — это как убить хорошего человека»
Дональд Рейфилд о Берии, Саакашвили и грузинском гостеприимстве
Безобразно естественно
Календарь Pirelli: лучшие актрисы и модели — без макияжа и без одежды
Ищут пожарные, ищет милиция
Десятилетний розыск пропавшей британской девочки обошелся в 16 миллионов фунтов
Идеал со сроком годности
От Монро до Кардашьян: как менялись пропорции женской фигуры каждые 10 лет
Новая американская мечта
Что такое Fuck You Money, или Как уйти на пенсию в 35 лет
Не хочешь — заставим
Как разные страны пытались сделать граждан счастливыми и что из этого вышло
Эстетическая хирургия
Тест-драйв нового купе Mercedes-Benz E-класса, которое наконец стало собой
Мертворожденные гоночные машины
Автомобили, которые так и не смогли выйти на старт гонок
Машины, которым не повезло
Посмотрите, какими могли бы быть известные машины
Кроссовер-трансформер, в который никто не поверил
Ford Freestyle FX: пикап и кабриолет в одном купе
Бог простит
В церкви нашли квартиру с красной мебелью и портретами в стиле поп-арт
Фрэнк ГериСпугнули рыбу
Почему антисемиты изгнали из Канады создателя «танцующего дома»
«Наш дом — колония строгого режима»
История семьи, оказавшейся на грани распада из-за дачи
Цветам не место в доме
Почему дети мешают взрослым жить счастливо в собственных квартирах