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
Наука и техника00:0311 декабря
Проект наземной мобильной версии электромагнитной пушки

И так сойдет

Америка прекратила разработку сдерживающего Россию оружия
Наука и техника00:0117 ноября

Пробила дно

Планета-пришелец расколола Землю и сдвинула континенты
Свободное падение
Почему пора готовиться к новому глобальному кризису
Домашние заготовки
Почему российской строительной сфере не обойтись без отечественных алюминиевых панелей
Чистый товар
Какие порошки тестируют на людях
Проект наземной мобильной версии электромагнитной пушкиИ так сойдет
Америка прекратила разработку сдерживающего Россию оружия
Пробила дно
Планета-пришелец расколола Землю и сдвинула континенты
Гены решают
Почему мужчины рождаются геями
«Не кони, а пони»
«Спартак» реабилитировался за 0:7 в Ливерпуле, разгромив ЦСКА
Василий Ломаченко и Гильермо РигондоМаленький гигант большого бокса
Украинец Ломаченко не оставил шансов небитому кубинцу
Клуб легенд
Звезды отечественного хоккея выяснили, кто спустя годы остается лучше всех
Бузовой не снилось
Участники американского «Дома-2» заработали миллионы на сексе и чистке туалетов
Уличная магия
Иногда все самое необычное происходит прямо у вас под носом
Бесконечное умиление
У них кривые челюсти и не хватает лап, но это не мешает им быть звездами сети
Тест-драйв лучшей BMW M5
Знакомимся с первой полноприводной «эмкой» на серпантинах Португалии
Невероятные стартапы, которые изменят жизнь водителей
Автомат по продаже машин, встроенный алкотестер и так далее
Самые необычные фары в истории
Головная оптика, от которой можно офонареть
«Кроссоверы», которые мы заслужили
Смертельная битва Lada Vesta SW Cross, Kia Rio X-Line и Renault Sandero Stepway
«Надо сразу прощаться, ведь жизнь проходит»
Квартирный вопрос довел пенсионеров до развода
Вы сняли, вас сняли
Мир охватила эпидемия секс-скандалов из-за арендованных квартир
Панельная романтика
Помните ли вы здания из лучших советских фильмов: тест
Нихао себе
Хибара из китайской глубинки стала лучшим зданием 2017 года