Kali ini adalah pergeseran merah gravitasi dari Relativitas Umum; dan ketatnya? Yang lebih baik dari satu bagian dalam 100 juta!
Bagaimana Steven Chu (Sekretaris Energi AS, meskipun pekerjaan ini dilakukan saat ia berada di Universitas California Berkeley), Holger Müler (Berkeley), dan Achim Peters (Universitas Humboldt di Berlin) mengalahkan tes pergeseran merah gravitasi terbaik sebelumnya (di 1976, menggunakan dua jam atom - satu di permukaan bumi dan yang lainnya dikirim ke ketinggian 10.000 km dalam roket) dengan 10.000 kali mengejutkan?
Dengan mengeksploitasi dualitas gelombang-partikel dan superposisi dalam interferometer atom!
Tentang angka ini
: Skema bagaimana interferometer atom beroperasi. Lintasan kedua atom diplot sebagai fungsi waktu. Atom-atom mengalami percepatan karena gravitasi dan garis-garis berosilasi menggambarkan akumulasi fase dari gelombang materi. Panah menunjukkan waktu dari tiga pulsa laser. (Courtesy: Nature).
Redshift gravitasi adalah konsekuensi tak terelakkan dari prinsip kesetaraan yang mendasari relativitas umum. Prinsip kesetaraan menyatakan bahwa efek lokal gravitasi sama dengan efek pada kerangka acuan yang dipercepat. Jadi gaya ke bawah yang dirasakan oleh seseorang dalam lift bisa sama karena percepatan naik atau gravitasi. Pulsa cahaya yang dikirim ke atas dari jam di lantai lift akan di-redshift ketika lift berakselerasi ke atas, artinya jam ini akan tampak lebih lambat ketika berkedip dibandingkan di langit-langit lift dengan jam lain. Karena tidak ada cara untuk membedakan gravitasi dan percepatan, hal yang sama akan berlaku di medan gravitasi; dengan kata lain, semakin besar tarikan gravitasi yang dialami oleh sebuah jam, atau semakin dekat dengan benda besar, semakin lambat ia akan berdetak.
Konfirmasi dari efek ini mendukung gagasan bahwa gravitasi adalah geometri - manifestasi kelengkungan ruangwaktu - karena aliran waktu tidak lagi konstan di seluruh alam semesta tetapi bervariasi sesuai dengan distribusi benda besar. Menjelajahi gagasan kurvatur ruangwaktu adalah penting ketika membedakan antara teori gravitasi kuantum yang berbeda karena ada beberapa versi teori string di mana materi dapat merespons sesuatu selain geometri ruangwaktu.
Redshift gravitasi, sebagai manifestasi invarian posisi lokal (gagasan bahwa hasil dari setiap eksperimen non-gravitasi adalah independen di mana dan ketika di alam semesta itu dilakukan) adalah yang paling sedikit dikonfirmasi dari tiga jenis eksperimen yang mendukung prinsip kesetaraan. Dua lainnya - universalitas terjun bebas dan invariansi Lorentz lokal - telah diverifikasi dengan ketentuan 10-13 atau lebih baik, sedangkan pergeseran merah gravitasi sebelumnya telah dikonfirmasi hanya dengan ketepatan 7 × 10-5.
Pada tahun 1997 Peters menggunakan teknik perangkap laser yang dikembangkan oleh Chu untuk menangkap atom cesium dan mendinginkannya hingga beberapa juta derajat K (untuk mengurangi kecepatannya sebanyak mungkin), dan kemudian menggunakan sinar laser vertikal untuk memberikan tendangan ke atas. ke atom untuk mengukur terjun bebas gravitasi.
Sekarang, Chu dan Müller telah menafsirkan kembali hasil percobaan itu untuk memberikan pengukuran pergeseran merah gravitasi.
Dalam percobaan masing-masing atom terkena tiga pulsa laser. Denyut pertama menempatkan atom ke dalam superposisi dari dua keadaan yang kemungkinan sama - baik membiarkannya melambat dan kemudian jatuh kembali ke Bumi di bawah tarikan gravitasi, atau memberikannya tendangan tambahan sehingga mencapai ketinggian yang lebih besar sebelum turun. Pulsa kedua kemudian diterapkan pada saat yang tepat untuk mendorong atom di negara kedua kembali lebih cepat ke Bumi, menyebabkan dua negara superposisi bertemu di jalan turun. Pada titik ini, pulsa ketiga mengukur gangguan antara kedua kondisi yang disebabkan oleh keberadaan atom sebagai gelombang, gagasannya adalah bahwa setiap perbedaan pergeseran merah gravitasi seperti yang dialami oleh dua negara yang berada pada ketinggian berbeda di atas permukaan bumi akan bermanifestasi sebagai perubahan fase relatif dari dua negara.
Keutamaan dari pendekatan ini adalah frekuensi gelombang cesium de Broglie yang sangat tinggi - sekitar 3 × 1025Hz. Meskipun selama 0,3 detik terjun bebas, gelombang materi pada lintasan yang lebih tinggi mengalami waktu yang berlalu hanya 2 × 10-20Lebih daripada gelombang pada lintasan yang lebih rendah, frekuensi osilasi mereka yang sangat besar, dikombinasikan dengan kemampuan untuk mengukur perbedaan amplitudo dari hanya satu bagian dalam 1000, berarti bahwa para peneliti dapat mengkonfirmasi pergeseran merah gravitasi ke presisi 7 × 10-9.
Seperti yang dikatakan Müller, “Jika waktu terjun bebas diperluas hingga usia alam semesta - 14 miliar tahun - perbedaan waktu antara rute atas dan bawah hanya seperseribu detik, dan akurasi pengukuran akan menjadi 60 ps, waktu yang dibutuhkan cahaya untuk melakukan perjalanan sekitar satu sentimeter. "
Müller berharap untuk lebih meningkatkan presisi pengukuran pergeseran merah dengan meningkatkan jarak antara dua keadaan superposisi atom cesium. Jarak yang dicapai dalam penelitian saat ini hanya 0,1 mm, tetapi, katanya, dengan meningkatkan ini menjadi 1 m, harus dimungkinkan untuk mendeteksi gelombang gravitasi, yang diprediksi oleh relativitas umum tetapi belum secara langsung diamati.
Sumber: Dunia Fisika; makalah ini dalam edisi 18 Februari 2010 dari Nature
