Einstein na zkušební stanici – dvě přesnostní experimenty s lasery z Berlína ve vesmíru

Rubidium modul pro FOKUS-Experiment: Vlákny propojený rubidiový modul pro FOKUS-Experiment ve vesmíru. ©FBH/P. Immerz

Podle teorie relativity Alberta Einsteina se ve vakuu všechny tělesa, bez ohledu na jejich ostatní vlastnosti, pohybují stejnou rychlostí při zrychlení gravitační silou Země. Toto ekvivalenční princip platí pro kameny, peří a atomy stejně. Za podmínek beztíže je možné zvlášť dlouho a přesně měřit, zda se různě těžké atomy skutečně „padají stejně rychle“.

Pro první přesné měření ve vesmíru s chladnými atomy jsou vhodnými kandidáty draslík a rubidium. Při přípravách na tato měření byly 23. ledna v Kiruně ve Švédsku úspěšně provedeny hned dvě experimenty na výškové výzkumné raketě. Nyní ukázala první vyhodnocení. Humboldtova univerzita v Berlíně (HU) a Ferdinand-Braun-Institut, Leibnizův institut pro vysokofrekvenční techniku (FBH), testují v projektech KALEXUS a FOKUS nejmodernější laserové technologie. Náročné technologické demonstrátory kladou základy pro přesné testy ekvivalenčního principu pomocí takzvaných atomových interferometrů draslíku a rubidia a dalších experimentů týkajících se Einsteinovy teorie relativity. Vědci doufají, že tyto experimenty poskytnou náznaky, jak zvládnout jednu z možná největších výzev moderní fyziky: sjednocení gravitace s ostatními třemi základními silami v jednotné teorii.

Laserové experimenty s atomy draslíku a rubidia: KALEXUS a FOKUS

V projektu KALEXUS, vedeném skupinou optické metrologie na HU, byl vybudován stabilní laserový systém pro manipulaci s atomy draslíku. Srdcem jsou dva mikrointegrované polovodičové laserové moduly vyvinuté FBH. V KALEXUS je vlnová délka těchto laserových modulů nastavena na atomový přechod draslíku. Během šestiminutové doby beztíže experiment sám stabilizuje vlnovou délku obou laserů. Navíc může laserový systém během letu autonomně přepínat mezi zdroji laserového záření. Takové experimenty se totiž nedají jednoduše zopakovat a vědci během letu nemohou zasahovat do jejich průběhu. Navíc nesmějí být měření ohrožena, pokud by jeden z laserů selhal.

Další laserový modul od FBH byl v projektu FOKUS, vedeném společností Menlo Systems, instalován na HU do systému. Laser stabilizovaný na atomový přechod rubidia má demonstrovat technologickou vyspělost podobných sestav pro pozdější testy atomů ve stavu beztíže. Laserový systém umožňuje také srovnání hodin. Přitom je porovnávána frekvence tohoto „optického oscilátoru“ s křemíkovým oscilátorem, který „tiká“ v rádiovém frekvenčním pásmu, podobně jako moderní náramkové hodinky. Obecná teorie relativity totiž předpovídá, že chování všech hodin je gravitačně ovlivněno stejným způsobem, bez ohledu na to, jak jsou fyzikálně nebo technicky realizovány. První test v dubnu 2015 potvrdil vhodnost takových „atomových hodin“ a laserových systémů pro ověření Einsteinovy teorie relativity ve vesmíru. Cílem je nyní potvrdit tyto první výsledky po několika technických optimalizacích systému.

Porovnání dvou přístupů k technologiím

Oba experimenty používají různé typy laserů od FBH, což umožňuje srovnání jejich technologií pro dané použití. Hlavním prvkem FOKUS modulu je DFB (Distributed Feedback) laser, který vydává světlo v úzkém frekvenčním nebo vlnovém pásmu při 780 nm. Tato spektrální úzkopásmovost je jednou z klíčových požadavků na laserový modul, který je potřebný pro spektroskopii atomů rubidia a tím i pro přesná měření.

KALEXUS využívá konstrukci ECDL (Extended Cavity Diode Laser), která díky externímu mřížkovému prvku poskytuje ještě užší spektrální čáru. Tento laser je optimalizován pro spektroskopická měření s atomy draslíku a emituje při vlnové délce 767 nm. Externí mřížka však – na rozdíl od monolitické konstrukce laseru FOKUS – může být náchylnější k rušení. Nakonec musí tyto veliké moduly odolávat mechanickému namáhání při startu rakety s zrychlením až do 15násobku gravitačního zrychlení a poté bez problémů fungovat ve vesmíru.

Projekty KALEXUS a FOKUS jsou financovány Německým centrem pro letectví a kosmonautiku (DLR).

O společném laserovém metrologickém laboratoři

V rámci tohoto společného laboratoře jsou vyvíjeny velmi úzkopásmové diodové lasery, mimo jiné pro optickou přesnou spektroskopii ve vesmíru. Spolupráci zde úzce vedou Ferdinand-Braun-Institut a skupina optické metrologie Matematicko-naturwissenschaftické fakulty Humboldtovy univerzity v Berlíně. Díky tomu lze efektivně spojit společné zájmy a doplňující se odbornosti HU Berlín (optická přesná měření pro fundamentální fyzikální otázky) a FBH (vývoj polovodičových laserů).