Atomok szabadesése

Stanfordi fizikusok mérései szerint a tömegvonzás az atomokra is ugyanúgy hat, mint a nagy méretű testek körében.

A XVI. században Galilei a pisai ferde toronyból leejtett fa és fémgolyóbisok esésének az összehasonlításával bizonyította, hogy a tömegvonzás (a gravitáció) egyformán hat a különféle anyagokból készült tárgyakra, azaz a g gravitációs gyorsulás független az anyagi minőségtől. Stanfordi fizikusok a Nobel-díjas Steven Chu vezetésével most egy minden eddiginél pontosabb kísérletben szabadon eső atomok gyorsulását mérték meg: eredményük szerint a tömegvonzás az atomokra is ugyanúgy hat, mint a nagy méretű testek körében.
Jóllehet, a fizika törvényeinek eddigi ismerete alapján éppen ez volt várható, az eredmény mégis perdöntő lehet, mivel ellentmond több olyan kísérletnek, amelyekben a neutronokra ható tömegvonzást próbálták meghatározni. A korábban több kutatóintézetben is elvégzett, úgynevezett neutron-interferométeres mérésekben néhány százalékos eltérést mutattak ki a neutronok, illetőleg a makroszkopikus méretű tárgyak közti gravitációs erőhatásban. A stanfordi kutatók elvileg ugyanazt az eljárást alkalmazták az atomok közti tömegvonzás meghatározására. A korábbiaknál egymilliószor pontosabb atom-interferométeres mérés hibahatára három az egymilliárdhoz, és ennek alapján szinte bizonyos, hogy a neutronos mérésekbe valami szisztematikus hiba csúszhatott.
Az atom-interferométer lényegében ugyanazon az alapelven működik, mint az optikai, amelyben a fényt két vagy több nyalábra osztják, majd ezeket különböző utak befutása után interferáltatják: a keletkező interferenciakép csíkjainak szélességéből és távolságából a fényutak különbsége nagyon pontosan meghatározható. Mivel a kvantumfizikai részecskék (ez esetben a neutronok és az atomok) anyaghullámként is leírhatók, a szétválasztott részecskenyalábok a fényhez hasonlóan interferáltathatók, és a kapott interferenciaképből az útkülönbségek ugyanígy meghatározhatók.
Ahhoz azonban, hogy a szabadon eső atomok gyorsulását megmérhessék, előbb olyan "ultrahideg atomcseppeket" kellett előállítani, amelyekben a szobahőmérsékleten egyébként szuperszonikus sebességgel száguldozó atomok hőmozgásának sebessége annyira csökken, hogy már elhanyagolható az esés sebességéhez képest. Ezért Chu és munkatársai optikai csapdába befogott cézium-atomokból lézeres hűtéssel az abszolút nulla foktól alig milliárdod fokkal eltérő hőmérsékletű cseppeket állítottak elő.



E módszer, az úgynevezett optikai melasz kidolgozásáért kapta Chu az 1997-es fizikai Nobel-díjat: a berendezésben a három térirányban egymással páronként szembeállított lézerek interferenciája a sugarak metszéspontjában olyan állóhullám "csapdát" hoz létre, amelybe az atomok mintegy "beleragadnak", mint muslicák a sűrű szirupba.



A csepp egy részét egy újabb lézerimpulzussal kilökve a csapdából az egy ideig mint a földobott labda emelkedik, majd a gravitáció hatására visszahullik. A csapdában maradó és a visszaeső atomok interferenciájából az atomok gravitációs gyorsulása milliárdodrész pontossággal határozható meg. Mint a kutatók elmondták, a módszer annyira érzékeny, hogy egy hosszabb ideig tartó mérési sorozatban még az árapály-hatás, azaz a Föld gravitációs terének a Hold tömegvonzása miatti napi változásai is kimutathatók.
Az atomok szabadesésének így megmért gyorsulását Chu és munkatársai ezután egy szabadon eső üveghasáb optikai interferométerrel hasonló pontossággal meghatározott gyorsulásával vetették össze. Így jutottak a már említett eredményre, miszerint a tömegvonzás a makro- és a mikrovilágban milliárdodrész pontossággal egyformán hat.

(ÉT)

Ajánló: