Aldebaran bulletin

Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 5 – vyšlo 30. ledna, ročník 13 (2015)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

5/2015
Hledej

Můžeme měřit zakřivení časoprostoru pomocí kvantových jevů?

Petr Kulhánek

V přírodě se setkáváme se čtyřmi základními interakcemi. Slabá interakceSlabá interakce – interakce s konečným dosahem, který je přibližně 10–17 m. Působí pouze na levotočivé kvarky a leptony. Polními částicemi jsou vektorové bosony W+, W− a Z0 se spinem rovným jedné. Hmotnosti částic jsou v rozmezí (80÷90) GeV. Typickým slabým procesem je například beta rozpad neutronu. Teorie slabé interakce se nazývá kvantová flavourdynamika (QFD). působí na kvarkyKvarky – částice, ze kterých jsou tvořeny těžké částice s vnitřní strukturou (hadrony). Hadrony dělíme na baryony složené ze tří kvarků (například protony a neutrony) a na mezony tvořené kvarkem a antikvarkem (například piony). Kvarky se dělí do tří generací, první tvoří kvarky „d“ (down) a „u“ (up), druhou kvarky „s“ (strange) a „c“ (charm) a třetí kvarky „b“ (bottom nebo beauty) a „t“ (top nebo truth). Kvarky mají neceločíselné (třetinové a dvoutřetinové) elektrické náboje. Jsou také nositeli barevného náboje silné interakce. a leptonyLeptony – skupina částic, mezi které patří elektron, těžký elektron (mion) a supertěžký elektron (tauon) a jejich neutrina (elektronové, mionové a tauo­nové). Tyto částice nepodléhají silné interakci, ale jen slabé a elektro­mag­ne­tické (pokud jsou nabité). a její dosah je přibližně 10−17 m. Je zodpovědná například za beta rozpad nebo za počátek termojaderné syntézy v nitru SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×106 km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×106 km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×106 K a zářivým výkonem 3,846×1026 W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. – fúzi dvou protonůProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Silná interakceSilná interakce – interakce krátkého dosahu, přibližně 10−15 m. Silná interakce je výběrová, působí jen na částice s barevným nábojem, tj. kvarky. Polními částicemi silné interakce jsou gluony (z anglického „glue“ = lepit, lepidlo). Gluony spojují kvarky do větších celků, tzv. hadronů. Nejznámější jsou proton a neutron složený ze tří kvarků. Silná interakce je odpovědná za soudržnost atomárního jádra. Polní částice mají barevný náboj a proto mohou působit samy na sebe. Barevný náboj na malých vzdálenostech (při vysokých energiích) slábne a kvarky se chovají jako volné částice. Hovoříme o tzv. asymptotické volnosti kvarků. Teorií silné interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD). váže dohromady kvarky, její dosah je přibližně 10−15 m. Silná interakce například drží kvarky pohromadě v neutronuNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. a protonuProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10−27 kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10−19 C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 1035 let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem.. Také je zodpovědná za soudržnost celého atomového jádra. Obě interakce (slabá i silná) mají krátký dosah a v makroskopických měřítcích se neuplatňují.

V makrosvětě dominují elektromagnetickáElektromagnetická interakce – interakce působící na všechny částice s elektrickým nábojem. Má nekonečný dosah, mezi tělesy ubývá s druhou mocninou vzdálenosti. Polními částicemi jsou fotony, které vytvářejí mezi nabitými tělesy elektromagnetické pole. Nemají elektrický náboj, mají nulovou klidovou hmotnost a spin rovný jedné. Teorie elektromagnetické interakce se nazývá kvantová elektrodynamika (QED). a gravitační interakceGravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.. Obě interakce mají nekonečný dosah a silové působení klesá s druhou mocninou vzdálenosti od objektu. Elektromagnetická interakce je výběrová a působí jen na nabité objekty, naopak gravitační interakce působí na veškerou hmotu. Pro nabité celky je gravitace neporovnatelně slabší silou než elektřina a magnetizmus. Například na dva protony bude poměr obou sil 1036 ve prospěch elektromagnetické interakce, pro dva elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. je poměr dokonce 1042. Toto tvrzení ale neplatí pro neutrální celky, například magnetické pole Slunce má na jeho okolí menší vliv než gravitační pole.

Názory na gravitaci procházely bouřlivým vývojem. V 17. století objevil Isaac Newton gravitační zákon, podle kterého je síla působící na dva objekty úměrná součinu jejich hmotností a nepřímo úměrná druhé mocnině jejich vzdáleností. Koeficient této úměrnosti se nazývá gravitační konstanta a je mírou intenzity gravitační interakce. Gravitační konstantaGravitační konstanta – fundamentální konstanta charakterizující gravitační interakci. Vystupuje jako koeficent úměrnosti v Newtonově gravitačním zákonu. Podle současných znalostí je G = 6,674 28(67)×10−11 m3·s−2·kg−1 s relativní chybou 10−4.  patří spolu s rychlostí světlaRychlost světla – jedna z fundamentálních přírodních konstant popisující rychlost šíření elektromagnetické interakce. Vzhledem k tomu, že metr je dnes definován právě pomocí rychlosti světla, je její hodnota dána od roku 1983 přesně, a to c = 299 792 458 m/s., Planckovou konstantouPlanckova konstanta – fundamentální konstanta popisující chování mikrosvěta. Jde o základní konstantu kvantové teorie, kterou zavedl Max Planck v roce 1899 při vysvětlení záření absolutně černého tělesa. V roce 2018 byla (s platností od 20. května 2019) tato konstanta zafixována na hodnotě h = 6,626 070 15×10−34 J·s. Touto hodnotou je v soustavě jednotek SI definován kilogram. Dnes preferujeme tzv. redukovanou Planckovu konstantu ħ = h/(2π), která má význam elementárního kvanta projekce momentu hybnosti do libovolné souřadnicové osy. Její hodnota je ħ ≅ 1,054 571×10−34 J·s. a několika dalšími konstantami k tzv. základním (fundamentálním) konstantám. Její hodnota je známa s nejmenší relativní přesností (10−4). Neznalost dostatečně přesné hodnoty gravitační konstanty trápí fyziky po mnohá desetiletí. Situace je navíc eskalována tím, že různé měřicí metody dávají nepatrně odlišnou hodnotu gravitační konstanty a jednotlivá měření nemají v rámci avizovaných chyb společný průnik. Hledání nových a přesnějších metod měření gravitačních účinků je tedy více než žádoucí. V posledních letech se zdá, že metody založené na kvantových jevech umožní měřit gravitační působení výrazně přesněji než kdykoli v minulosti. Podle Einsteinovy obecné teorie relativityObecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách., současné teorie gravitace, je za gravitační působení zodpovědné zakřivení času a prostoru v okolí všech těles. Zdá se, že pomocí kvantových metod bude  možné změřit přesněji nejen hodnotu samotné gravitační konstanty, ale i mapovat detailní strukturu pokřiveného časoprostoru včetně identifikace dlouho hledaných gravitačních vlnGravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO..

Interakce

Projevy interakcí v přírodě. Zdroj: Josip Kleczek, Toulky.

Gravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.

Gravitační konstanta – fundamentální konstanta charakterizující gravitační interakci. Vystupuje jako koeficent úměrnosti v Newtonově gravitačním zákonu. Podle současných znalostí je G = 6,674 28(67)×10−11 m3·s−2·kg−1 s relativní chybou 10−4.

Gravimetrie – měření síly gravitačního pole. V důsledku nehomogenit nebývají gravitační pole těles jednoduchá, čehož se dá využít právě ke zjišťování nehomogenit skrytých pod povrchem.

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.

De Broglieova vlna – vlna, kterou se projevují hmotná tělesa (částice) v mikrosvětě. Každý objekt mikrosvěta se v některých experimentech chová jako vlna a v některých jako částice. Tento dualizmus vln a částic je jedním ze základních projevů kvantového světa. Vlnová délka de Broglieovy vlny je nepřímo úměrná součinu hmotnosti a rychlosti částice. Vlna přidružená objektu má v kvantové mechanice význam amplitudy pravděpodobnosti výskytu částice.

Ramanův jev – také Ramanův rozptyl (kombinační rozptyl, Mandelstamův rozptyl, Smekalův-Ramanův rozptyl). Jde o změnu směru i velikosti vlnového vektoru a polarizace fotonů při průchodu prostředím v důsledku interakce s dvěma stavy atomu či molekuly. Rozptýlené fotony mají jinou frekvenci, fázi i polarizaci a nesou informace o energetickém spektru rozptylového centra a u molekul dokonce i o prostorové orientaci konkrétní chemické vazby, tedy jakési molekulární „vizitky“. Pokud má rozptýlený foton nižší energii než původní, hovoříme o tzv. Stokesově fotonu. Bez speciálních opatření je však tímto způsobem rozptylován pouze jediný foton ze stovek miliónů až stovek miliard dopadajících fotonů. Účinný průřez Ramanova rozptylu je zhruba 10−30 cm2. Pokud do prostředí posíláme fotony s vhodnou frekvencí, může dojít ke stimulovanému Ramanovu rozptylu, který je mnohem účinnější. Na tomto jevu jsou založeny Ramanovy lasery.

Gravitace v mikrosvětě

Projevy gravitace v makrosvětě jsou patrné na první pohled: oběh planet kolem Slunce, pohyby hvězd v galaxiích a nebo jen tvrdý dopad na chodník při cestě opilce z restaurace. Ale působí gravitace stejným způsobem i na velmi malé objekty, například na elementární částice? Kladná odpověď není úplně samozřejmá. Pro elementární částice je gravitace nejslabší silou a na malých škálách převládají ostatní interakce. Po staletí vypadalo měření gravitačních projevů na úrovni elementárních částic jako neuskutečnitelný sen. Máme tedy vůbec právo předpokládat, že bude gravitační zákon platit i v oblasti, kde platí kvantové zákony? Objekty se v mikrosvětě někdy chovají jako vlnění, jindy jako částice, mohou být v superpozici více stavů naráz, jejich parametry mohou nabývat jen určitých hodnot atd. Svět malých rozměrů je natolik odlišný od světa vnímaného našimi smysly, že není vůbec jasné, proč by gravitační zákon měl mít stejnou podobu v mikrosvětě i v makrosvětě.

Teprve v 21. století byly objeveny první metody měření gravitačních projevů na elementárních částicích. V roce 2011 byla publikována první měření kvantových stavů neutronuNeutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní se střední dobou života 886 s (15 minut) a poločasem rozpadu 10 minut. V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. v tíhovém poli (spolupráce Vídeňské univerzity a Laueho-Langevinova institutu v Grenoblu). Tento fascinující experiment, který prokázal, že gravitace působí na neutron, byl podrobně popsán v AB 18/2011. Jiným zajímavým experimentem je AEgIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy) v částicové laboratoři CERNCERN – Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Evropské centrum jaderného výzkumu. Komplex urychlovačů a laboratoří na pomezí Švýcarska a Francie založený v roce 1954. Na výzkumu se podílí 22 členských zemí včetně České republiky. K největším objevům patří detekce polních částic slabé interakce, příprava antivodíku a vytvoření kvarkového-gluonového plazmatu, pralátky, z níž vznikal vesmír. V současné době je zde vybudován největší urychlovač světa – Large Hadron Collider, který byl po závadě na jednom z magnetů opětovně spuštěn na konci roku 2009. V roce 2012 byl na LHC objeven Higgsův boson, poslední částice standardního modelu. V CERNu byl také vynalezen a poprvé použit Web., který testuje, zda gravitace působí stejně na hmotu i na antihmotu. V experimentu je sledován pád antivodíkových atomů v tíhovém poli (přesněji jde o vodorovný vrh mnoha antiatomů tvořících celý svazek).

Experiment AEgIS

Pohled „rybím okem“ na experiment AEgIS při jeho sestavování v roce 2012.
Zdroj: CERN/Maximilien Brice.

Paralelně s pozorováním působení gravitace na jednotlivé částice a atomy se objevila i další možnost, v jistém smyslu opačná: Za pomoci chladných atomů lze na základě kvantového chování detekovat gravitační pole, a tím zakřivení času a prostoru. Každý atom se chová na základě částicově-vlnového dualizmu také jako vlnění, a lze mu proto přiřadit tzv. de Broglieovy vlnyDe Broglieova vlna – vlna, kterou se projevují hmotná tělesa (částice) v mikrosvětě. Každý objekt mikrosvěta se v některých experimentech chová jako vlna a v některých jako částice. Tento dualizmus vln a částic je jedním ze základních projevů kvantového světa. Vlnová délka de Broglieovy vlny je nepřímo úměrná součinu hmotnosti a rychlosti částice. Vlna přidružená objektu má v kvantové mechanice význam amplitudy pravděpodobnosti výskytu částice. (hmotové vlny). Takový atom může být také v superpozici více (například dvou) kvantových stavů. Lze ho připravit tak, že je „současně“ na dvou místech gravitačního pole naráz, třeba ve dvou různých výškách nad laboratorním stolem. Je to podobné jako ve známém experimentu s elektrony pronikajícími dvěma štěrbinami. Každý z nich je také ve dvou stavech naráz: prochází první i druhou štěrbinou. Může se nám to zdát podivné, ale to je tak jediné, co s tím můžeme dělat. Ve světě malých rozměrů prostě platí jiná pravidla než ve světě lidí. Čtenář může být smutný, že není objektem mikrosvěta, protože by současně mohl v obýváku sledovat televizi a v blízké hospůdce s místními štamgasty budovat základy nové, lepší společnosti.

V roce 2010 se podařilo nově interpretovat experimenty z let 1997 až 2001 (Achim Peters, Keng Yeow Chung, Steven Chu), při kterých byl na Kalifornské univerzitě v BerkeleyUCB – University of California at Berkeley. Požadavky na vznik Kalifornské univerzity pocházejí již z roku 1849, vlastní univerzita byla založena v roce 1866, nejznámější část (UCLA) sídlí v Los Angeles. Berkeleyská část vznikla v roce 1873. shluk ultrachladných cesiových atomů přiveden za pomoci laserového impulzu do superpozice dvou stavů. Atomy jako by byly ve dvou výškách naráz. Oběma stavům ale přísluší de Broglieovy vlnyDe Broglieova vlna – vlna, kterou se projevují hmotná tělesa (částice) v mikrosvětě. Každý objekt mikrosvěta se v některých experimentech chová jako vlna a v některých jako částice. Tento dualizmus vln a částic je jedním ze základních projevů kvantového světa. Vlnová délka de Broglieovy vlny je nepřímo úměrná součinu hmotnosti a rychlosti částice. Vlna přidružená objektu má v kvantové mechanice význam amplitudy pravděpodobnosti výskytu částice. s různou frekvencí. V obou stavech mají atomy počáteční rychlost směrem vzhůru a pohybují se nejprve nahoru, a poté padají volným pádem. Každému ze stavů odpovídá jiná dosažená výška. Po určité době se ale fáze jim příslušících hmotových vln (3×1025 Hz) rozejdou a dojde ke kvantové interferenciKvantová interference – skládání amplitud pravděpodobnosti několika možností vývoje systému. Amplitudy se mohou vyrušit, potom hovoříme o destruktivní interferenci. Pravděpodobnosti dějů jsou druhou mocninou součtu amplitud pravděpodobností jednotlivých možností. těchto vln. Každý atom interferuje jakoby sám se sebou, respektive interferují jeho dva kvantové stavy. Totéž známe z dvouštěrbinového experimentu, výsledkem je interferenční obrazec elektronů dopadajících na stínítko; v našem případě je výsledkem dobře měřitelný interferenční obrazec výskytu padajících atomů v jednom z výchozích stavů. Měření se provádějí za pomoci laseru s vhodnou rezonanční frekvencí. Touto metodou (sledováním interference de Broglieových vln) bylo v experimentu změřeno zakřivení času na výškovém rozdílu pouhých 0,1 mm (viz AB 10/2010). Vysoká frekvence hmotových vln umožňuje dosáhnout lepší přesnosti než při experimentech s elektromagnetickými vlnami. Petersonovým experimentem započala nová éra mapování gravitačního pole za pomoci kvantové interference atomů nacházejících se v superpozici dvou kvantových stavů.

Nové italsko-holandské experimenty s atomovou interferometrií

V současnosti Petersův experiment výrazně zdokonalila skupina vědců z Florentské univerzity, Boloňské univerzity a Výzkumného a technologického střediska ESAESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. v holandském Noordwijku [1]. Pod vedením Guglielma Tina vytvořili trojitý gravimetr, kterým je možné měřit zrychlení tří shluků chladných rubidiovýchRubidium – prvek ze skupiny alkalických kovů, vyznačuje se velkou reaktivitou. Rubidium je měkký (asi jako vosk), lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Na rozdíl od předchozích alkalických kovů je těžší než voda. Velmi dobře vede elektrický proud a teplo. Rubidium bylo objeveno roku 1861 německým chemikem Robertem W. Bunsenem a německým fyzikem Gustavem R. Kirchhoffem. atomů a rekonstruovat zakřivení časoprostoru na metrové vzdálenosti. Zařízení postavená na tomto principu mohou sloužit k měření gradientu gravitačního pole a k přesnému určení gravitační konstantyGravitační konstanta – fundamentální konstanta charakterizující gravitační interakci. Vystupuje jako koeficent úměrnosti v Newtonově gravitačním zákonu. Podle současných znalostí je G = 6,674 28(67)×10−11 m3·s−2·kg−1 s relativní chybou 10−4..

Atomy rubidia 87Rb byly zachyceny v magnetooptické pasti a ochlazeny na teplotu 4 μK. Tři shluky atomů experimentátoři umístili do svislého vakuovaného válce. Shluky, připravené v superpozici dvou podhladin základního stavu, se pohybují směrem vzhůru. Při pohybu dochází k interferenci hmotových vlnDe Broglieova vlna – vlna, kterou se projevují hmotná tělesa (částice) v mikrosvětě. Každý objekt mikrosvěta se v některých experimentech chová jako vlna a v některých jako částice. Tento dualizmus vln a částic je jedním ze základních projevů kvantového světa. Vlnová délka de Broglieovy vlny je nepřímo úměrná součinu hmotnosti a rychlosti částice. Vlna přidružená objektu má v kvantové mechanice význam amplitudy pravděpodobnosti výskytu částice. příslušících těmto stavům. Interferenční obrazec je rekonstruován za pomoci stimulovaného Ramanova rozptyluRamanův jev – také Ramanův rozptyl (kombinační rozptyl, Mandelstamův rozptyl, Smekalův-Ramanův rozptyl). Jde o změnu směru i velikosti vlnového vektoru a polarizace fotonů při průchodu prostředím v důsledku interakce s dvěma stavy atomu či molekuly. Rozptýlené fotony mají jinou frekvenci, fázi i polarizaci a nesou informace o energetickém spektru rozptylového centra a u molekul dokonce i o prostorové orientaci konkrétní chemické vazby, tedy jakési molekulární „vizitky“. Pokud má rozptýlený foton nižší energii než původní, hovoříme o tzv. Stokesově fotonu. Bez speciálních opatření je však tímto způsobem rozptylován pouze jediný foton ze stovek miliónů až stovek miliard dopadajících fotonů. Účinný průřez Ramanova rozptylu je zhruba 10−30 cm2. Pokud do prostředí posíláme fotony s vhodnou frekvencí, může dojít ke stimulovanému Ramanovu rozptylu, který je mnohem účinnější. Na tomto jevu jsou založeny Ramanovy lasery. na frekvenci 6,8 GHz a z něho je dopočítávána svislá složka zrychlení atomů. Kolem válce jsou rozmístěny testovací hmotnosti. Jde o wolframovéWolfram – Wolframium, šedý až stříbřitě bílý, velmi těžký a mimořádně obtížně tavitelný kov. Hlavní uplatnění nalézá jako složka různých slitin, v čisté formě se s ním běžně setkáváme jako s materiálem pro výrobu žárovkových vláken. Wolfram byl objeven roku 1781 švédským chemikem Wilhelmem Scheelem. válečky s celkovou hmotností 516 kg, které ovlivňují měřené zrychlení shluků atomů. Výhodou metody je měření zrychlení ve třech místech, což umožňuje detekovat prostorové změny zrychlení. Z měřeného profilu zrychlení je možné následně rekonstruovat zakřivení časoprostoru způsobené testovacími hmotnostmi a ZemíZemě – největší z planet zemského typu. Je jedinou planetou v celém vesmíru, o které víme, že na ní existuje život. Má dostatečně hustou atmosféru, dostatek kapalné vody v povrchových oceánech. Kolem Země obíhá jediný měsíc s vázanou rotací. Při pozorování Země z kosmu vidíme hlavně modrou barvu oceánů. 70 % povrchu Země je pokryto oceány, 30 % tvoří kontinenty. Země sestává z těchto vrstev: jádro, plášť, kůra, troposféra, stratosféra, mezosféra, termosféra. Plášť a kůra jsou odděleny tzv. Mohorovičiæovým rozhraním. Kůra se posouvá a „plave“ na polotekutém plášti. Teplota v centru Země je 5 100 °C, tlak 360 GPa. Magnetické pole Země má přibližně dipólový charakter, je deformováno slunečním větrem do typického tvaru..

Uspořádání italsko-holandského experimentu

Rubidiové atomy 87Rb jsou nejprve zachyceny a ochlazeny v magnetooptické pasti technikou laserového ochlazováníLaserové ochlazování – technika využívající k ochlazování atomů laserového světla s vlnovou délkou nepatrně nižší než je charakteristický elektronový přechod v atomu. Toto „podladění“ má za následek, ža atomy absorbují větší množství fotonů, pokud se pohybují směrem ke zdroji, než pokud se pohybují od zdroje. Při interakci s fotonem atom ztrácí odpovídající hybnost ve směru zdroje světla. Při následném vyzáření fotonu sice hybnost opět získá, ale v náhodném směru. Zpravidla se používá šest laserů ve směru a proti směru tří souřadnicových os. Ať se atom vydá kamkoli, vždy proti němu bude svítit laser se správně posunutou frekvencí. Mnohonásobným opakováním lze shluk atomů ochladit na nanokelvinové teploty. V roce 1997 byla za tento objev udělena Stevenovi Chuovi, Claudeovi Cohen-Tannoudjimu a Williamovi Philipsovi Nobelova cena za fyziku.. Tři shluky atomů v superpozici dvou stavů se pohybují vzhůru, a tvoří tak tři samostatné gravimetry. V blízkosti horní úvrati je měřen interferenční obrazec za pomoci Ramanova rozptyluRamanův jev – také Ramanův rozptyl (kombinační rozptyl, Mandelstamův rozptyl, Smekalův-Ramanův rozptyl). Jde o změnu směru i velikosti vlnového vektoru a polarizace fotonů při průchodu prostředím v důsledku interakce s dvěma stavy atomu či molekuly. Rozptýlené fotony mají jinou frekvenci, fázi i polarizaci a nesou informace o energetickém spektru rozptylového centra a u molekul dokonce i o prostorové orientaci konkrétní chemické vazby, tedy jakési molekulární „vizitky“. Pokud má rozptýlený foton nižší energii než původní, hovoříme o tzv. Stokesově fotonu. Bez speciálních opatření je však tímto způsobem rozptylován pouze jediný foton ze stovek miliónů až stovek miliard dopadajících fotonů. Účinný průřez Ramanova rozptylu je zhruba 10−30 cm2. Pokud do prostředí posíláme fotony s vhodnou frekvencí, může dojít ke stimulovanému Ramanovu rozptylu, který je mnohem účinnější. Na tomto jevu jsou založeny Ramanovy lasery.. Dopočítané zrychlení je v pravé části obrázku. Na zrychlení mají vliv testovací hmotnosti rozmístěné kolem experimentu a gradient tíhového zrychlení. Konstatní hodnota tíhového zrychlení je odečtena. Červeně jsou vyznačeny polohy gravimetrů. Na křivce jsou dobře patrná dvě zvlnění způsobená testovacími hmotnostmi. Zdroj: [1].

Závěr

Původní Petersonův experiment měřil na prostorové škále desetin milimetrů. Nové italsko-holandské experimenty ukázaly, že je možné zrekonstruovat časoprostorové zakřivení na metrové škále. Pokud by v experimentu byla použita řada shluků chladných atomů rozmístěných ve vzdálenostech 5 až 10 centimetrů, bylo by možné rekonstruovat zrychlení (časoprostorové zakřivení) s nebývalou přesností. Doufejme, že experimenty s atomovou interferometrií konečně změří gravitační konstantu s výrazně vyšší přesností, než je známa dosud. Obdobné experimenty by měly být také citlivé ke gravitačním vlnám a otevírají tak nové možnosti jejich detekce. Uvažuje se i o vyslání atomového interferometru na oběžnou dráhu, kde by s zatím bezprecedentní přesností proměřoval gravitační pole Země [2]. Taková měření by byla mnohem přesnější než dosavadní měření družic GOCE a GRACEGRACE – Gravity Recovery and Climate Experiment. Dvojice družic NASA vypuštěných v roce 2002, které detailně měří gravitační pole Země. Družice byly vyvinuty Texaskou univerzitou za přispění německých odborníků. Přesnost měření tíhového zrychlení dosáhla 10−3 m/s2. [8]. Atomová interferometrie je zásadním průlomem v metodách měření gravitačního pole a umožní nám detailní zkoumání gravitační interakce včetně mapování různých gravitačních anomálií.

Odkazy

  1. G. Rosi et al.: Measurement of the Gravity-Field Curvature by Atom Interferometry; Phys. Rev. Lett. 114 (2015) 013001
  2. Olivier Carraz et al.: A spaceborne gravity gradiometer concept based on cold atom interferometers for measuring Earth’s gravity field; arXiv:1406.0765v2 [physics.atom-ph], 3 Oct 2014
  3. Hamish Johnston: Interfering atoms measure gravity's curvature; Physics World, 13 Jan 2015
  4. Wikipedia: Atom interferometer
  5. Wikipedia: Raman laser
  6. Petr Kulhánek: Červený gravitační posuv a kvantová teorie; AB 10/2010
  7. Petr Kulhánek: Měření gravitace v mikrosvětě; AB 18/2011
  8. Michal Marčišovský: GOCE – mapovanie zemského gravitačného poľa; AB 38/2008

Valid HTML 5Valid CSS

Aldebaran Homepage