Идея о том, что частицы могут попадать под влияние потенциалов даже без воздействия силового поля, может показаться нелогичной, но она уже давно (с 1986 года) принята в физике благодаря экспериментам, связанным с электромагнитными взаимодействиями. Теперь физики в США доказали, что так называемый эффект Ааронова-Бома справедлив и для гораздо более слабого взаимодействия — гравитации. Физики основывали свой вывод на поведении свободно падающих пучков атомных волн — по их словам, полученный результат предлагает новый способ измерения гравитационной постоянной Ньютона с гораздо большей точностью, чем это было возможно ранее.
Якир Ааронов и Дэвид Бом описали эффект, который теперь носит их имя, еще в 1959 году. Они утверждали, что, потенциалы электромагнитного поля являются не просто математической абстракцией, полезной для вычисления напряженностей, а в принципе независимо наблюдаемыми величинами, имеющими несомненный и прямой физический смысл.
В поисках гравитационного аналога
В новом исследовании Марк Касевич и его коллеги из Стэнфордского университета доказали, что тот же эффект справедлив и для гравитации. Платформой для их эксперимента стал атомный интерферометр, который использует серию лазерных импульсов для разделения, направления и рекомбинации пучков атомных волн.
Команда из Стэнфорда подготовила облако ультрахолодных атомов рубидия-87 и использовала структуру перекрывающихся лазерных лучей (известную как оптическая решетка), чтобы запустить его в вертикальной вакуумной трубе длиной 10 м. Затем лазерный светорасщепитель разделял волновой пучок каждого атома на верхнюю и нижнюю траектории — при этом первая проходила рядом с полукруглым кольцом исключительно чистого (и, следовательно, немагнитного) вольфрама весом 1,25 кг и располагалась в верхней части трубки.
Идея заключалась в том, чтобы обнаружить крошечный фазовый сдвиг из-за замедления времени. Этот фазовый сдвиг можно измерить только в том случае, если расстояние между волновыми пучками значительно больше, чем расстояние между ближайшим плечом интерферометра и массой вольфрамового источника. Таким образом, исследователи использовали светорасщепители, которые передавали большой импульс волновым пучкам, располагая их как можно дальше друг от друга.
Однако наблюдение этого эффекта также потребовало от физиков учета фазового сдвига из-за гравитационного притяжения исходной массы (силового поля). Они запустили атомные облака вдоль интерферометров с гораздо более близко расположенными плечами — так, что расстояние между волновыми пакетами (2 см) было, как правило, небольшим по сравнению с расстоянием массы вольфрама и, следовательно, нечувствительным к замедлению времени.
Дополнительный эффект
Исследователи неоднократно проводили эксперимент, каждый раз меняя минимальное расстояние между верхним плечом интерферометра и массой источника. Построив график изменения разности фаз между двумя плечами в зависимости от расстояния между плечами и массой, они обнаружили, что результирующая кривая для интерферометров с близко расположенными плечами соответствует ожидаемым смещениям, вызванным исключительно отклонениями волновых пакетов гравитационным полем. Однако для интерферометров с широко расставленными плечами это не работало — в данном случае фазовые сдвиги вносили «нечто иное», а не само поле.
Касевич и его коллеги интерпретируют это «нечто иное» как релятивистское замедление времени и, следовательно, свидетельство фазовых сдвигов Ааронова-Бома.
«Эти результаты показывают, что гравитация создает фазовые сдвиги Ааронова-Бома, аналогичные сдвигам, создаваемым электромагнитными взаимодействиями», — заявил Касевич.
По словам физиков, результаты исследований показывают потенциал атомных квантовых датчиков как новых инструментов, помогающих нам понять гравитацию и ее связь с квантовой физикой.
Читать далее
Гиперзвуковой самолет на водороде развивает скорость до 12 Махов. Это почти 15 000 км/ч
Посмотрите на первый в мире одноступенчатый орбитальный корабль будущего
Самый большой в мире айсберг растаял. Ученые раскрыли, сколько воды он сбросил в океан