Το πείραμα της ελεύθερης πτώσης του Γαλιλαίου … με άτομα

Posted on 29/10/2020

0


Άτομα με διαφορετική μάζα πέφτουν στο πεδίο βαρύτητας της Γης με την ίδια επιτάχυνση, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τα μακροσκοπικά σώματα.

Σύμφωνα με τον μύθο ο Γαλιλαίος, αφήνοντας να πέσουν ελεύθερα διάφορα σώματα από τον Πύργο της Πίζας, απέδειξε πειραματικά ότι σώματα με διαφορετικές μάζες πέφτουν με την ίδια επιτάχυνση: «κάθε σώμα που αφήνεται να πέσει υπό την επίδραση του βάρους του αποκτά ίδια σταθερή επιτάχυνση, ανεξάρτητα της μάζας του, και σε κάθε στιγμή η απόσταση που διανύει είναι ανάλογη του τετραγώνου του παρελθόντος χρόνου».

Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί επαναλαμβάνουν το πείραμα αυτό με έναν τρόπο που ο Ιταλός επιστήμονας θα ήταν αδύνατον να φανταστεί. Μελετούν την ελεύθερη πτώση ατόμων!

Στη δημοσίευση των Kasevich et al με τίτλο “Atom-interferometric test of the equivalence principle at the 10−12  level”, περιγράφεται ένα εξαιρετικά ευαίσθητο πείραμα που διερευνά την ελεύθερη πτώση μεμονωμένων ατόμων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του πειράματος δύο διαφορετικοί τύποι ατόμων αποκτούν την ίδια επιτάχυνση στο κενό με ακρίβεια 0,0000000001%!

Συγκριτικά με προηγούμενο πείραμα ελεύθερης πτώσης ατόμων, το νέο πείραμα είναι χίλιες φορές πιο ακριβές.

Οι ερευνητές Kasevich et al μελέτησαν την ελεύθερη πτώση δυο διαφορετικών ισοτόπων ατόμων ρουβιδίου, 85Rb και 87Rb. Τα ισότοπα είναι άτομα που περιέχουν στον πυρήνα τους τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. Διοχέτευσαν ατμούς αυτών των ατόμων μέσα σε ένα σωλήνα ύψους περίπου 8,6 μέτρων όπου επικρατούσε κενό, για να διαπιστώσουν ότι τα διαφορετικής μάζας ισότοπα του ρουβιδίου έπεφταν με την ίδια επιτάχυνση.

Έτσι, επιβεβαιώθηκε για άλλη μια φοράς το πείραμα του Γαλιλαίου, το αποτέλεσμα του οποίου στηρίζει την αρχή της ισοδυναμίας, το αξίωμα της θεωρίας βαρύτητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, της γενικής σχετικότητας. Αυτή η αρχή δηλώνει ότι η αδρανειακή μάζα ενός αντικειμένου, η οποία καθορίζει πόσο θα επιταχυνθεί όταν ασκείται σ’ αυτό δύναμη, ταυτίζεται με την βαρυτική μάζα του, η οποία καθορίζει πόσο ισχυρή είναι η βαρυτική δύναμη που δέχεται αυτό. Το αποτέλεσμα είναι η επιτάχυνση ενός αντικειμένου στο βαρυτικό πεδίο να μην εξαρτάται από τη μάζα του ή το είδος του υλικού του.

Μέχρι στιγμής, η αρχή της ισοδυναμίας ‘αντέχει’ σε όλα τα πειράματα. Όμως τα άτομα, των οποίων η συμπεριφορά καθορίζεται από τους «παράξενους» νόμους της κβαντικής μηχανικής, θα μπορούσαν να αποκαλύψουν τα αδύνατα σημεία της.

Ο Kasevich και οι συνάδελφοί του μελέτησαν τα μικροσκοπικά σωματίδια χρησιμοποιώντας την συμβολομετρία ατόμων, η οποία εκμεταλλεύεται την κβαντική μηχανική για να κάνει εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις. Κατά τη διάρκεια της πτήσης των ατόμων, οι επιστήμονες έθεσαν τα άτομα σε μια κατάσταση που ονομάζεται κβαντική υπέρθεση, στην οποία τα σωματίδια δεν έχουν μια καθορισμένη θέση. Κάθε άτομο βρισκόταν σε μια υπέρθεση δύο θέσεων, που απείχαν απόσταση έως και επτά εκατοστά. Όταν οι δύο θέσεις των ατόμων ενώθηκαν ξανά, τα άτομα συνέβαλλαν μεταξύ τους, με έναν τρόπο που αποκάλυψε με ακρίβεια την σχετική τους επιτάχυνση.

Πολλοί επιστήμονες πιστεύουν ότι η αρχή της ισοδυναμίας τελικά θα καταρριφθεί. «Έχουμε εύλογες προσδοκίες ότι οι τρέχουσες θεωρίες μας… δεν είναι το τέλος της ιστορίας», λέει η φυσικός Magdalena Zych του Πανεπιστημίου του Queensland στο Μπρίσμπεϊν της Αυστραλίας, η οποία δεν συμμετείχε στην έρευνα. Αυτό συμβαίνει επειδή η κβαντική μηχανική – ο κλάδος της φυσικής που περιγράφει την πέραν της διαίσθησης φυσική του πολύ μικρού – δεν τα πάει καλά με την γενική σχετικότητα. Έτσι, οι φυσικοί πασχίζουν να διατυπώσουν μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας, η οποία θα μπορούσε να ενώσει αυτές τις ιδέες. Πολλοί υποπτεύονται ότι η νέα θεωρία θα παραβιάζει την αρχή της ισοδυναμίας, αλλά ‘κατά ένα πολύ μικρό ποσοστό’. Κι αυτός είναι ο λόγος που η παραβίαση δεν διαπιστώθηκε ακόμα στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μέχρι τώρα (διαβάστε σχετικά: Ένα βήμα πιο κοντά στην κβαντική βαρύτητα;).

Όμως οι φυσικοί ελπίζουν στο μέλλον να βελτιώσουν τις τεχνικές και τον σχεδιασμό τέτοιων πειραμάτων που βασίζονται σε άτομα, για παράδειγμα, εκτελώντας τα στο διάστημα, όπου τα αντικείμενα μπορούν να πέσουν ελεύθερα για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα.
Αν εξαιρέσουμε το πείραμα στη Σελήνη με το φτερό και το σφυρί, που δεν είχε την απαραίτητη ακρίβεια 😉

… μεγαλύτερης ακρίβειας πείραμα στο διάστημα για την επιβεβαίωση της αρχής ισοδυναμίας , έχει ήδη πραγματοποιηθεί με μεταλλικούς κυλίνδρους, αλλά όχι ακόμη με άτομα.
Σίγουρα όμως, κάποιοι θα το προετοιμάζουν αυτή τη στιγμή.. (διαβάστε σχετικά: Ένα συμπύκνωμα Bose-Enstein σε τροχιά γύρω από τη Γη)

πηγές: https://www.sciencenews.org/article/galileo-gravity-experiment-atoms-general-relativity-einstein και https://arxiv.org/abs/2005.11624

Click to access 2005.11624.pdf