Использование замедления времени для измерения кривизны пространства-времени

Группа исследователей из Стэнфордского университета использовала замедление времени в атомном фонтане для измерения кривизны пространства-времени. В своем исследовании, опубликованном в журнале Science, группа использовала фонтан в качестве интерферометра для измерения изменений атомных волновых пакетов, соответствующих фазовым сдвигам. 

Так называемый атомный фонтан, созданный командой ученых, состоял из 10-метровой башни с вакуумной трубкой, наверху которой было кольцо, удерживающее пластину вольфрама. Чтобы использовать фонтан, ученые запускали лазеры под холодными атомами рубидия, толкая их вверх, а другие лазеры стреляли сверху вниз, чтобы остановить их.

Третий лазерный импульс захватывал атомы, достигшие дна. В своих экспериментах исследователи толкали пары волновых пакетов атомов вверх по фонтану и измеряли результирующие фазовые сдвиги, когда они путешествовали вверх и вниз по фонтану.

Фазовые сдвиги инициировались остановкой атомов на разных расстояниях от вольфрама в верхней части башни. Установка продемонстрировала фазовые сдвиги из-за замедления времени, при котором, как описано в теории относительности Эйнштейна, время течет медленнее ближе к массивным объектам.

В фонтане атомы, поднявшиеся выше, приблизились к массе пластины вольфрама и, следовательно, испытали большее ускорение, что привело к сдвигу во времени между ними и теми атомами, которые не поднялись так высоко.

Эксперименты также показали, что эффект Ааронова-Бома применим и к гравитации, поскольку магнитное поле внутри цилиндрического контейнера может воздействовать на частицы, которые никогда не попадут внутрь контейнера.

В их атомном фонтане электроны, движущиеся уникальными путями вверх и вниз по фонтану, были вынуждены находиться в суперпозиции, и, несмотря на магнитное поле в камере, на них не действовала магнитная сила; тем не менее, все еще были свидетельства сдвигов магнитного поля.

Гравитация искривляет пространство и время. Это может привести к разнице во времени между свободно падающими нелокальными траекториями. Предполагается, что пространственная суперпозиция массивной частицы чувствительна к этому эффекту. Мы измеряем гравитационный фазовый сдвиг, индуцированный в интерферометре материи-волны массой источника килограммового масштаба, близкой к одному из волновых пакетов. Отклонения каждого плеча интерферометра из-за массы источника измеряются независимо. Фазовый сдвиг отличается от фазового вклада, вызванного отклонением, как и предсказывает квантовая механика. Кроме того, наблюдаемое масштабирование фазового сдвига согласуется с соотношением ошибки и возмущения Гейзенберга. Эти результаты показывают, что гравитация создает фазовые сдвиги Ааронова-Бома, аналогичные сдвигам, создаваемым электромагнитными взаимодействиями.