Квантовый эффект подтвердил теорию Эйнштейна с небывалой точностью

Общая теория относительности была создана почти сто лет назад и очень быстро завоевала признание. Ей удалось объяснить некоторые явления, не поддававшиеся пониманию в «старой», ньютоновой, физике (например, поворот орбиты Меркурия) и точно предсказать новые эффекты, которые вскоре были блестяще подтверждены (например, дополнительное отклонение луча света в поле тяготения Солнца).

Искривленный мир

Кроме того, теория относительности изменила само понимание природы. Эйнштейн заменил жесткий и неизменный мир Ньютона, в котором между массивными телами действовали гравитационные силы, другим миром – мягким и податливым, в котором те же тела искривляют пространство и время, но зато движутся в этом искривленном пространстве-времени так, будто никаких гравитационных «сил» нет вовсе.

В случае слабых гравитационных полей и медленных движений предсказания общей теории относительности почти не отличаются от ньютоновых. А вот там, где тяготение становится сильным, а скорость движения приближается к скорости света, тела начинают чувствовать искривление уже совсем по-другому, по-эйнштейновски. Именно поэтому без теории относительности сейчас не обойтись ни в астрофизике, ни в космологии.

Но даже в случае слабых полей и медленных движений отличия можно заметить, если точность измерений очень высока. Поэтому учет эйнштейновских эффектов так же необходим и для управления межпланетными космическими кораблями, и для определения координат системами GPS и ГЛОНАСС на Земле, которые основаны на очень точном измерении момента прихода импульсов от спутников на околоземной орбите.

До шестого знака

Тем не менее гравитация – очень слабая сила, и эффекты ее сравнительно невелики. Например, предсказанное Эйнштейном искривление времени, из-за которого часы в гравитационном поле идут чуть медленнее, даже в сравнительно сильном поле тяготения на поверхности Земли составляет всего 1 миллиардную долю. За все время, прошедшее с момента создания теории относительности, земные часы отстали бы от космических, летающих в пустоте, всего на несколько секунд.

Именно поэтому, несмотря на все свои успехи, общая теория относительности остается сравнительно плохо протестированной. С ее концептуальными положениями, конечно, мало кто спорит, но вот точность количественной проверки ее предсказаний гораздо ниже, чем у многих других теорий. К примеру, вычисления квантовой электродинамики сходятся с экспериментом как минимум до 12-го знака после запятой – а может, и лучше, просто более точных экспериментов пока нет. А вот точность измерения замедления времени до сих пор оставалась на уровне лишь 6-го знака.

Такой точности в конце 1970-х годов достигли ученые из Гарварда, запустив на ракете на высоту 10 тысяч километров над Землей водородный генератор и сравнив скорость хода таких часов с идентичным прибором, оставшимся на Земле. Ракета летала не 100 лет, а всего пару часов, так что убежал прибор не на несколько секунд, а на доли микросекунды. Но и «тикают» такие часы не один, а 1 420 405 752 раза каждую секунду, поэтому часы на ракете отстали на несколько сот «тиков». Как оказалось, отстали они ровно на столько, на сколько предсказывала теория Эйнштейна с относительной точностью 0,0007%.

Атомный фонтан

Этот рекорд, без каких бы то ни было изменений, продержался тридцать лет. Тем не менее в сегодняшнем номере британского журнала Nature опубликована статья ученых из США и Германии, которым удалось улучшить точность этих измерений сразу в 10 тысяч раз – до 0,00000007%! Более того, с такой относительной точностью они померили разность хода часов, между которыми было не 10 тысяч километров, а всего 100 микрон.

Лабораторный опыт состоял из потока атомов цезия, жизненная история каждого из которых с помощью лазерного импульса расщеплялась надвое – благо, квантовая механика такое позволяет. В одной своей жизни атом не поглощал фотон и, как пушечное ядро из школьного курса физики, двигался в поле тяготения по параболе. В другой жизни атом поглощал идущий снизу фотон и проходил по чуть более высокой траектории. В ее вершине он получал второй удар, теперь уже от фотона сверху, так что к концу высокого полета возвращался в ту же точку, что и не поглотивший фотон атом.

В точке встречи уже третий лазерный импульс проверял сдвиг фаз двух волн, соответствующих двум возможным историям атома. Сдвиг пропорционален замедлению времени на чуть более высокой траектории (см. врез), которое при разнице высот в 0,1 мм составило всего 2x10^-20 секунды. Эту величину ученым удалось померить с неопределенностью всего в 10^-28 секунды, и в рамках этой точности не нашлось никаких отклонений от предсказаний теории относительности.

Точность покоя

Чтобы измерить такую крошечную задержку, пришлось взять часы, которые «тикают» гораздо быстрее, чем любые наручные ходики или даже водородный стандарт частоты. В качестве единицы времени ученые взяли фундаментальную частоту атома цезия, которая следует из самой фундаментальной квантовой механики. Это так называемая комптоновская частота, которая для атома цезия составляет примерно 3x10²⁵ Герц, то есть тиков в секунду.

При таком темпе тиков даже крошечное запаздывание на 2x10^-20 секунды соответствует разнице фаз почти в 600 тысяч колебаний волновой функции. Саму фазу ученые умеют измерять с точностью до сотых долей процента (можно даже записать точное экспериментальное число, за каждую цифру в котором ученые отвечают – 588 639,416 цикла колебаний). Отсюда в конечном счете и берется точность новой проверки общей теории относительности в 7x10^-7%.

Между прочим, до сравнительно недавнего времени ученые вообще игнорировали эти колебания, соответствующие энергии покоя частицы mc². Она очень велика и неизменна для всех возможных историй частицы, поэтому внимание обращали обычно лишь на частотную модуляцию этой величины за счет получения частицей дополнительной энергии. В школьной (ну, ладно, институтской) квантовой механике до сих пор часто учат, что энергия покоя частицы, которая является нуль-пунктом для всех энергетических измерений, не важна, важны лишь расстояния между энергетическими уровнями.

Чтобы увидеть энергию покоя материальных атомов, «в работе» пришлось ставить очень точные эксперименты, а для этого надо охлаждать их до очень низких температур. Методику такого охлаждения придумали лишь в конце 1970-х годов ученые из США и Германии, а до ума ее довели американцы Стивен Чу и Уильям Филлипс и француз Клод Коэн-Таннуджи, получившие за это в 1997 году Нобелевскую премию по физике.

От старых к молодым

Чу, который стал соавтором нынешний работы, считается признанными лидером в области атомной интерферометрии, а после избрания Барака Обамы американским президентом стал еще и министром энергетики США. Однако Нобелевской премии и министерского поста ему, похоже, мало. Говорят, в частных беседах он даже полушутя признается, что одного «Нобеля» ему мало.

Кстати, эксперимент, описанный в новой работе, на самом деле был проведен больше десяти лет назад и предназначался для точного измерения ускорения свободного падения в поле тяжести Земли. Руководил им тогдашний постдок Чу, немец Ахим Петерс; он тоже стал соавтором новой статьи. Однако два года назад ведущий автор новой статьи Хольгер Мюллер, тогдашний аспирант теперь уже профессора Петерса, сообразил, что тот же опыт можно использовать и для измерения замедления времени. Благо, параллельно с работой атомного интерферометра Петерс на всякий случай измерил ускорение свободного падения с помощью стандартного прибора. Именно погрешности этого прибора ограничивают нынешнюю точность проверки общей теории относительности.

По словам Мюллера, сейчас он строит похожий прибор, в котором между вершинами двух траекторий атома будет целый миллиметр. Уже в течение этого года он надеется увеличить точность измерения искривления времени на полтора-два порядка. Его следующая цель – разнести траектории на метр. «Если нам удастся достичь разделения (путей. -- Infox.ru) атома на метр, можно будет уже наблюдать гравитационные волны», – говорит Мюллер.