Bằng cách xem các nguyên tử hoạt động như thế nào khi chúng lơ lửng giữa không trung, thay vì rơi tự do, các nhà vật lý đã tìm ra một cách mới để đo trọng lực Trái đất.
Theo truyền thống, các nhà khoa học đã đo ảnh hưởng của trọng lực trên các nguyên tử bằng cách theo dõi tốc độ của các nguyên tử rơi xuống các máng cao. Những thí nghiệm như vậy có thể giúp kiểm tra lý thuyết hấp dẫn của Einstein và đo chính xác các hằng số cơ bản (SN: 4/12/18). Nhưng các ống dài hàng mét được sử dụng trong các thí nghiệm rơi tự do có thể khó sử dụng và khó che chắn khỏi sự can thiệp của môi trường như từ trường đi lạc. Với thiết lập mặt bàn mới, các nhà vật lý có thể đánh giá sức mạnh của lực hấp dẫn Trái đất bằng cách theo dõi các nguyên tử lơ lửng vài milimet trong không khí bằng ánh sáng laser.
Thiết kế lại này, được mô tả trong Khoa học ngày 8 tháng 11, có thể thăm dò tốt hơn các lực hấp dẫn do các vật thể nhỏ gây ra. Kỹ thuật này cũng có thể được sử dụng để đo các biến động hấp dẫn nhẹ ở những nơi khác nhau trên thế giới, điều này có thể giúp lập bản đồ đáy biển hoặc tìm dầu và khoáng chất dưới lòng đất (SN: 2/12/08).
Nhà vật lý Victoria Xu và các đồng nghiệp tại Đại học California, Berkeley đã bắt đầu bằng cách phóng một đám mây nguyên tử xê-ri lên không trung và sử dụng các tia sáng để tách từng nguyên tử thành trạng thái chồng chất. Trong chiếc limbo lượng tử kỳ lạ này, mỗi nguyên tử tồn tại ở hai nơi cùng một lúc: một phiên bản của nguyên tử lơ lửng cao hơn vài micromet so với cái kia. Sau đó, nhóm Xu Xu đã nhốt các nguyên tử xê-ri này vào giữa không trung bằng ánh sáng từ tia laser.
Có bạn, nguyên tử
Để đo trọng lực, các nhà vật lý chia các nguyên tử thành một trạng thái lượng tử kỳ lạ gọi là chồng chất - trong đó một phiên bản của nguyên tử cao hơn một chút (các chấm màu xanh được nối bởi các dải màu vàng thẳng đứng trong hình minh họa này). Các nhà nghiên cứu bẫy các nguyên tử này trong không trung bằng cách sử dụng ánh sáng laser (các dải màu xanh nằm ngang). Khi được giữ trong ánh sáng, mỗi phiên bản của một nguyên tử hoạt động hơi khác nhau, do vị trí khác nhau của chúng trong trường hấp dẫn của Earth. Đo lường những khác biệt đó cho phép các nhà vật lý xác định cường độ của lực hấp dẫn Trái đất tại vị trí đó.
Đo cường độ của trọng lực với các nguyên tử được giữ tại chỗ, thay vì bị kéo xuống bởi một trường hấp dẫn, đòi hỏi phải chạm vào nguyên tử lưỡng tính sóng hạt (SN: 11/5/10). Hiệu ứng lượng tử đó có nghĩa là, nhiều như sóng ánh sáng có thể hoạt động như các hạt gọi là photon, các nguyên tử có thể hoạt động như sóng. Và đối với mỗi nguyên tử xê-ri bắt được chồng chất, phiên bản cao hơn của sóng nguyên tử nhấp nhô nhanh hơn một chút so với đối tác thấp hơn của nó, do các nguyên tử khác nhau ở các vị trí hơi khác nhau trong trường hấp dẫn của Trái đất. Bằng cách theo dõi mức độ nhanh chóng của hai phiên bản nguyên tử không đồng bộ, các nhà vật lý có thể tính toán sức mạnh của lực hấp dẫn Trái đất tại điểm đó.
Một người rất ấn tượng, chuyên gia vật lý Alan Jamison của MIT nói. Đối với ông, một lời hứa lớn của kỹ thuật mới là các phép đo được kiểm soát nhiều hơn. Đây là một thử thách lớn để thực hiện những thí nghiệm thả rơi này, nơi bạn có một tòa tháp dài 10 mét, ông nói. Các từ trường khó có thể che chắn và môi trường tạo ra chúng ở khắp mọi nơi - tất cả các hệ thống điện trong tòa nhà của bạn, v.v. Làm việc trong một khối lượng nhỏ hơn giúp dễ dàng tránh những tiếng ồn môi trường đó.
Thiết bị nhỏ gọn hơn cũng có thể đo hiệu ứng trọng lực trong phạm vi ngắn hơn, đồng tác giả nghiên cứu Holger Müller nói. Ông Let Let nói rằng bạn không muốn đo trọng lực của toàn bộ Trái đất, nhưng bạn muốn đo trọng lực của một vật nhỏ, chẳng hạn như một viên bi, ông nói. Chúng ta chỉ cần đặt viên bi gần với các nguyên tử của chúng ta [và giữ nó ở đó]. Trong thiết lập rơi tự do truyền thống, các nguyên tử sẽ dành một khoảng thời gian rất ngắn gần với viên bi của chúng ta - mili giây - và chúng ta sẽ nhận được tín hiệu ít hơn nhiều.
Nhà vật lý Kai Bongs của Đại học Birmingham ở Anh tưởng tượng bằng cách sử dụng loại trọng lực nguyên tử mới để nghiên cứu bản chất của vật chất tối hoặc kiểm tra một khía cạnh cơ bản của lý thuyết hấp dẫn Einstein Einstein gọi là nguyên lý tương đương (SN: 4/11/17). Nhiều lý thuyết thống nhất về vật lý được đề xuất để dung hòa cơ học lượng tử và lý thuyết hấp dẫn Einstein Einstein - không tương thích - vi phạm nguyên tắc tương đương theo một cách nào đó. Vì vậy, tìm kiếm các vi phạm có thể hướng dẫn chúng ta đến lý thuyết thống nhất lớn, ông nói. Càng đó, một trong những Chén Thánh trong vật lý.
0 Comments:
Đăng nhận xét