Nowy rodzaj grawimetru

Naukowcy z Uniwersytetu Maryland zaprojektowali nowy rodzaj grawimetru, czyli urządzenia do pomiaru zmian pola grawitacyjnego.

Grawimetry wykorzystujące zjawiska zachodzące w skali kwantowej są już teraz wykorzystywane do wyszukiwania znajdujących się głęboko pod ziemią złóż zasobów naturalnych, takich jak ropa czy uran. Współcześnie wykorzystywane modele interferometrów atomowych wykorzystują dwie rozszczepione wiązki światła, jedną wyżej od drugiej. Po połączeniu ich z powrotem na podstawie różnic w fazie pomiędzy dwoma wiązkami można określić, jaka była różnica w grawitacji oddziaływującej na wyższą i niższą wiązkę. Metoda ta wymaga od urządzenia dokonywania pomiaru na dość dużej odległości, zazwyczaj na kilkudziesięciu centymetrach. W związku z tym współczesne interferometry atomowe nie dają dobrego sposobu zmierzenia zmian siły grawitacji na bardzo krótkich odległościach i w krótkich okresach czasu.

Projekt stworzony przez naukowców z Joint Quantum Institute z Uniwersytetu Maryland wykorzystuje zademonstrowane niedawno zachowanie atomów w "syntetycznym" polu magnetycznym. "Syntetyczny" magnetyzm to zjawisko zachodzące w atomach schłodzonych do temperatury niewiele wyższej od zera absolutnego i oświetlanych laserem ciągłym, powodujące że obojętne atomy zachowują się jakby były naładowanymi cząsteczkami w prawdziwym polu magnetycznym.

Grawimetr z JQI wykorzystuje superpozycję, czyli fakt że funkcja falowa atomów do momentu pomiaru może mieć na raz kilka stanów (klasycznym przykładem wykorzystywanym do zademonstrowania zjawiska superpozycji jest eksperyment myślowy z kotem Schrödingera). Urządzenie wykorzystuje pułapkę na atomy o średnicy 50 mikrometrów (o połowę cieńszą od ludzkiego włosa) zawierającą miliony atomów schłodzonych prawie do temperatury zera stopni Kelwina. Atomy są następnie napromieniowywane wiązką mikrofal o tak dobranej częstotliwości, aby przeszły do superpozycji dwóch możliwych stanów spinu (góra i dół). W tym momencie atomy, znajdujące się jednocześnie w dwóch stanach na raz są przesuwane wewnątrz całej pułapki o bardzo małą odległość, około 20 mikrometrów. Po przesunięciu atomy są ponownie napromieniowywane tak, aby wyemitować światło jeżeli ich spin to góra lub pozostać ciemnymi jeżeli ich spin to dół. Gdyby nie oddziaływała na nie grawitacja, to rozkład byłby równy, 50-50%, jednak dzięki oddziaływaniu grawitacji schwytane w pułapkę atomy będą emitować mniej lub więcej światła, i te odchylenia od idealnego rozkładu pozwalają określić, jak mocme jest pole grawitacyjne w danym punkcie.

Nowy grawimetr poza zastosowaniami praktycznymi może również pomóc fizykom w testowaniu teorii takich jak teoria względności Einsteina. Jednak biorąc pod uwagę rosnące zapotrzebowanie naszej cywilizacji na energię większość tego typu urządzeń prawdopodobnie znajdzie się w samolotach poszukujących ropy i uranu...

[JQI via Next Big Future]

Leszek Karlik

Więcej o: