Tác dụng của hấp dẫn lên thời gian được xác nhận

Các nhà vật lí ở Mĩ và Đức vừa sử dụng hai nguyên lí cơ bản của cơ học lượng tử để thực hiện phép kiểm tra chính xác cao của thuyết tương đối rộng Einstein.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tác dụng của hấp dẫn lên thời gian được xác nhận Tác dụng của hấp dẫn lên thời gian được xác nhận Các nhà vật lí ở Mĩ và Đức vừa sử dụng hai nguyên lí cơ bản của cơ họclượng tử để thực hiện phép kiểm tra chính xác cao của thuyết tương đốirộng Einstein. Các nhà nghiên cứu khai thác lưỡng tính sóng-hạt và sự chồngchất bên trong một giao thoa kế nguyên tử để chứng tỏ một hiệu ứng gọi làsự dịch chuyển hấp dẫn – sự chậm lại của thời gian ở gần một vật khối lượnglớn – là đúng với độ chính xác bảy phần tỉ. Kết quả trên thật quan trọng đốivới cuộc tìm kiếm một lí thuyết hấp dẫn lượng tử và có thể có những ứngdụng thực tiễn đáng kể, thí dụ như cải thiện độ chính xác của các hệ thốngđịnh vị toàn cầu. . [/URL]Sự dịch chuyển hấp dẫn tuân theo nguyên lí tương đương cơ sở của thuyết tươngđối rộng. Nó phát biểu rằng những tác dụng cục bộ của lực hấp dẫn là tươngđương với những vật ở trong một hệ quy chiếu có gia tốc. Cho nên lực hướngxuống mà một người chịu ở trong một cái thang máy có thể là do một gia tốchướng lên của thang máy hoặc do sự hấp dẫnNhững xung ánh sáng gửi lên từmột cái đồng hồ nằm trên sàn thang máy sẽ bị dịch chuyển Doppler, hay bị dịch đỏ,khi thang máy đang tăng tốc hướng lên trên, nghĩa là cái đồng hồ này sẽ dườngnhư chạy chậm đi khi những lóe sáng của nó được so với một cái đồng hồ khác đặttrên trần thang máy. Vì không có cách nào phân biệt lực hấp dẫn vàsự giatốc, cho nên điều tương tự cũng đúng đối với trường hấp dẫn, nghĩa là lực húthấp dẫn tác dụng lên cái đồng hồ càng lớn, hay nó càng ở gần vật khối lượng lớn,thì nó sẽ chạy càng chậm lại.Sự xác nhận hiệu ứng này ủng hộ cho quan điểm rằng lực hấp dẫn là một biểuhiện của độ cong không-thời gian vì dòng thời gian không còn còn đều đặn xuyênsuốt lịch sử nữa mà biến thiên theo sự phân bố của những vật khối lượng lớn. Việccủng cố quan điểm độ cong không-thời gian là quan trọng trong việc phân biệtgiữa những lí thuyết khác nhau của sự hấp dẫn lượng tử, vì có một số phiên bảncủa lí thuyết dây có thể phản ứng với những thứ khác ngoài hình dạng của không-thời gian ra.Tính vạn vật của sự rơi tự doTuy nhiên, sự dịch chuyển hấp dẫn, là một biểu hiện của bất biến định xứ (quanđiểm cho rằng kết quả của mọi thí nghiệm phi hấp dẫn là độc lập với địa điểm vàthời điểm thực hiện nó trong vũ trụ) được xác nhận kém nhất trong số ba loại thínghiệm ủng hộ cho nguyên lí tương đương. Hai thí nghiệm kia, tính vạn vật của sựrơi tự do và bất biến Lorentz cục bộ , đã được xác nhận với độ chính xác 10-13 hoặc tốt hơn nữa,trong khi sự dịch chuyển hấp dẫn trước đây chỉ được xácnhận đến độ chính xác 7x10-5 . Kết quả này thu được vào năm 1976 bằng cách ghilại sự khác biệt thời gian trôi đo bởi hai chiếc đồng hồ nguyên tử - một đặt trênmặt đất và một được gửi lên cao độ 10.000 km trong một tên lửa.Loại phép đo dịch đỏ như thế này bị hạn chế bởi mức độ hút hấp dẫn do khốilượng của trái đất mang lại. Nghiên cứu mới, tiến hành bởi Holger Müller thuộctrường Đại học California Berkeley, Achim Petersthuộc trường Đạihọc Humboldt ở Berlin và Steven Chu, trước đây tạiBerkeley nhưng hiện naylà Thư kí của Bộ Năng lượng Mĩ, bị hạn chế bởi những ràng buộc tương tự,nhưng làm chủ được việc tăng đáng kể độ chính xác nhờ vào một chiếc đồng hồcực tốt mang lại bởi cơ học lượng tử.Năm 1997, Peters đã sử dụng kĩ thuật bẫy laser do Chu phát triển để bắt lấycác nguyên tử caesium và làm lạnh chúng đến một vài phần triệu của một độ trênkhông độ tuyệt đối (để giảm vận tốc của chúng càng nhiều càng tốt), và sau đó sửdụng một chùm laser thẳng đứng truyền một cú hích hướng lên cho các nguyên tửđể đo sự [/B]rơi tự do hấp dẫn.[/B]Nay Chuvà Müller giải thích lại những kết quả của thí nghiệm đó để cung cấp mộtphép đo của sự dịch chuyển hấp dẫn.Trong thí nghiệm, mỗi một nguyên tử hứng chịu ba xung laser. Xung thứ nhấtđưa nguyên tử vào một sự chồng chất của hai trạng thái có khả năng ngang nhau -hoặc để cho nó một mình giảm tốc và sau đó rơi xuống trái đất dưới sức hút củalực hấp dẫn, hoặc truyền cho nó một cú hích để nó đạt tới độ cao lớn hơn trước khirơi xuống. Một xung thứ hai đặt vào sau đó đúng thời điểm thích hợp để đưanguyên tử ở trạng thái thứ hai trở lại hướng Trái đất nhanh hơn, làm cho hai trạngthái chồng chất gặp nhau trên đường rơi xuống. Tại đây, xung laser thứ ba sẽ đosự giao thoa giữa hai trạng thái này do sự tồn tại của nguy ên tử dưới dạng sóng, ýtưởng là bất kì sự chênh lệch nào ở độ dịch đỏ hấp dẫn chịu bởi hai trạng thái tồntại ở những độ cao khác nhau phía trên mặt đất sẽ hiển hiện dưới dạng một sựbiến đổi pha tương đối của hai trạng thái.Tần số cực caoƯu điểmcủa phương pháp này là tần số cực cao của sóng de Broglie của nguyêntử caesium- chừng 3x1025 Hz. Mặc dù trong 0,3 srơi tự do, sóng vật chất trênquỹ đạo cao hơn chịu thời gian trôi nhiều hơn 2x10-20 s so với sóng tr ...