Jak obecná je obecná teorie relativity

Nezáleží na tom, jestli je to pera, jablko nebo cihla: ve vakuu, když již neexistuje tření a působí pouze gravitace, padají všechny těles stejně rychle. Einsteinova obecná teorie relativity, konkrétně princip ekvivalence, to předpovídá a odpovídá současnému obrazu světa ve fyzice. A přesto existují pochybnosti – alespoň pokud jde o extrémy. Kosmické experimenty s kvantovými senzory mají nyní přinést jasno.

„Na velkém měřítku galaxií zákony gravitace nevysvětlují, proč se vesmír vyvíjel tak, jak ho známe,“ říká Andreas Wicht, vedoucí skupiny laserové metrologie na Ferdinand-Braun-Institutu, Leibnizově institutu pro vysokofrekvenční techniku (FBH). „A na mikroskopické úrovni, pod stovkou mikrometrů, neexistuje žádná experimentální kontrola platnosti gravitačního zákona, jak ho známe.“

Platnost principu ekvivalence na atomární úrovni ověřit je cílem společného projektu QUANTUS III, na kterém se podílejí univerzity Hannover, Hamburg, Ulm, Mainz, Darmstadt, Bremen a HU-Berlin spolu s FBH. „Konkrétně se ptáme: Padají atomy rubidia stejně rychle jako atomy draslíku?“ Andreas Wicht vyvíjí se svým týmem na FBH laserovou technologickou platformu pro takzvaný atomový interferometr, kvantový senzor, který má brzy být použit ve vesmíru.

Již od konce 80. let jsou v laboratořích prováděny „experimenty s volným pádem atomů“. Avšak předpokládané rozdíly ve rychlostech pádu jsou tak minimální – nejvýše v desetině desetinné čárky –, že pro dostatečně citlivá měření jsou potřeba velmi dlouhé doby měření. To je možné pouze ve vesmíru. Ovšem takové měřicí stoly o rozměrech asi 2 x 2 metry jsou příliš nepraktické. Od poloviny 90. let proto Německé centrum pro letectví a kosmonautiku (DLR) podporuje experimenty a s tím související technologie. Již byla realizována například experimenty na bremské zkušební věži, která s výškou přes 100 metrů umožňuje volný pád po dobu čtyř sekund v vakuové trubce. „Tady se dalo ukázat, že experiment v zásadě funguje. Ale doba měření je stále příliš krátká.“

Jak funguje „pádový experiment“? „Atomům vlastně fungují jako senzory,“ vysvětluje Wicht. Ve stavu beztíže jsou atomy spolu s měřícím zařízením prakticky ve volném pádu. Nejprve je pomocí světelných impulsů určité frekvence zpomalíme natolik, že téměř stojí – protože jsou téměř ochlazeny na teplotu blízkou absolutní nule. Dalšími laserovými pulzy jsou atomy manipulovány tak, že se nacházejí ve speciálních stavech, které lze popsat pouze prostřednictvím kvantové fyziky, proto jsou označovány jako kvantově optické senzory. Účinek laserových impulsů a tím i výsledek měření kvantově optického senzoru závisí velmi citlivě na frekvenci a fázi světelných impulsů. Pokud by se atomy těchto dvou druhů urychlovaly odlišně, musely by být frekvence a fáze laserových impulsů u obou druhů odlišně upraveny podle Dopplerova jevu, který vyplývá z tohoto rozdílného zrychlení. „Tento rozdíl, pokud vůbec existuje, je třeba změřit,“ vysvětluje Wicht.

V FBH byl vyvinut „soubor nástrojů ze světla“ pro tento účel, jakýsi synchronizovaný světelný orchestr složený z různých spektrálně úzkopásmových diodových laserů, mikrozrcadel a dalších miniaturizovaných optických součástek. „Umíme integrovat dva takové čipy na keramický základ,“ říká Wicht. „Okolo nich jsou postaveny mikrooptiky.“ „Celý laserový systém bude sestávat ze šesti nebo osmi takových modulů a bude objemově asi tisíckrát menší než běžný produkt.“ Bude hermeticky uzavřen, pouze světelný vlákno vedoucí do experimentální komory bude vystupovat ven.

V bremské zkušební věži již systém prokázal svou raketovou vhodnost. V dubnu 2015 mají následovat experimenty na výškové raketě, která vystoupá do výšky asi 100 kilometrů. Do návratu do atmosféry Země zbývá pět minut volného pádu pro experiment. Později mají být podobné experimenty prováděny na satelitu nebo na Mezinárodní vesmírné stanici (ISS).

Poměrně velké úsilí jen proto, aby se vyvrátil Einstein, nebo ne? Andreas Wicht se směje. „Mohl by se zdát. Ale když byl vyvíjen GPS, nikdo by si nepomyslel, že bude dnes dostupný v každém chytrém telefonu. A tak technologie kvantových senzorů, i když zatím spíše v rámci experimentů, možná nebude běžná, ale přesto najde speciální technické využití.“ Kromě měření rychlosti a zrychlení lze například pomocí nich provádět hustotová měření a velmi přesné určování polohy na Zemi.

Britská vláda nedávno investovala 270 milionů liber do komercializace kvantových senzorů. Zatímco dnes je pro přesné určení polohy nutný přístup ke GPS satelitu, který by mohl selhat, kvantové senzory navigují bez GPS, stačí jim známé místo jako referenční bod. Na rozdíl od GPS fungují i v hlubinách oceánů pro ponorky. „Druhým velkým oblastí použití bude průzkum,“ doplňuje Wicht. „Atom v senzoru se „přepadne“ rychleji přes ložiska nerostných surovin než přes běžné horniny. Těžební ložiska a hladiny podzemní vody lze také zmapovat.“

Velká Británie investuje, USA plánují experimenty na ISS – a co dělá Německo? Výbor pro optické technologie sice v rámci agendy Photonik 2020 pro BMBF identifikoval kvantovou senzorizaci jako perspektivní budoucí technologii. „Ale to je papír,“ říká Wicht. „Co nakonec potřebujeme, je peníze na další výzkum, politické rozhodnutí.“ Ještě jsme na tom relativně dobře, protože DLR tyto práce podporuje. „Ale musíme dávat pozor, abychom si neztratili dobrou pozici.“

Pro základní výzkumníky, jako je Andreas Wicht, není komerce na prvním místě. Jde jim o čistou fyziku. Albert Einstein by pravděpodobně pobaveně poznamenal, že Země nestačí k tomu, aby zachytila hranice jeho geniálních nápadů.