Mennyire általános az általános relativitáselmélet?

Mindegy, hogy toll, alma vagy tégla: vákuumban, amikor már nincs súrlódás és csak a gravitáció hat, minden test ugyanolyan gyorsan esik. Einstein általános relativitáselmélete, konkrétan az egyenértékűségi elv, ezt jósolja meg, és ez megfelel a fizika jelenlegi világképének. És mégis vannak kétségek – legalábbis a szélsőséges esetekben. Az űrkutatási kísérletek kvantumszenzorokkal most tisztázást ígérnek.

„A galaxisok nagyléptékén a gravitáció törvényei nem magyarázzák, miért alakult így az univerzum, ahogy ismerjük” – mondja Andreas Wicht, a Ferdinand-Braun-Institut, a Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) lézermetrológiai csoportvezetője. „És a mikroszkopikus szinten, száz mikrométernél kisebb léptékben, egyáltalán nincs kísérleti ellenőrzés arról, hogy a gravitációs törvény érvényes-e, ahogy mi ismerjük.”

A kvantumelméleti szinten az egyenértékűségi elv érvényességének ellenőrzése a QUANTUS III közös projekt célja, amelyben Hannover, Hamburg, Ulm, Mainz, Darmstadt, Bremen egyetemei és a HU-Berlin, valamint a FBH vesz részt. „Konkretizálva: vajon a rubídium- és káliumatomok pontosan ugyanúgy esnek?” – kérdezi Wicht, aki a FBH-nál a lézertechnológiai platformot fejleszti egy úgynevezett atom-interferométerhez, egy kvantumszenzorhoz, amely hamarosan az űrben kerül alkalmazásra.

Az 1980-as évek vége óta már laboratóriumi szinten végzik „Atom-esés-kísérleteket”. Ám a feltételezett különbségek az esési sebességekben olyan minimálisak – legfeljebb a tízedik tizedesjegyben –, hogy a megfelelő érzékenységű méréshez nagyon hosszú mérési időkre van szükség. Csak az űrben érhetők el ezek a mérések. Ehhez azonban a kb. 2 x 2 méteres mérőasztalok túl nagyok és nehezen kezelhetők. A Német Légügyi és Űrkutatási Központ (DLR) az 1990-es évek közepe óta támogat kísérleteket és ehhez kapcsolódó technológiákat. Már például a Bremer eséstoronyban végrehajtott kísérleteket, amely 100 méter magasságával egy vákuumcsőben négy másodpercig lehetővé teszi a szabad esést. „Ez megmutatta, hogy az elvileg működik. Azonban a mérési idő még mindig túl rövid.”

Hogyan működik a „Esés-kísérlet”? „Az atomok gyakorlatilag érzékelőként működnek” – magyarázza Wicht. Súlytalanságban az atomok és a mérőeszköz szinte szabadon esnek. Először a kétféle atom mozgását fényimpulzusokkal olyan mértékben lassítják, hogy szinte megállnak, mert majdnem az abszolút nulla fokra hűtötték őket. További lézerimpulzusokkal manipulálják az atomokat, hogy speciális, csak kvantumfizikai eszközökkel leírható állapotokba kerüljenek, ezért kvantumoptikai érzékelőknek is nevezik őket. A lézerimpulzusok hatása és így a kvantumoptikai érzékelő eredménye nagyon érzékenyen függ a fényimpulzusok frekvenciájától és fázisától. Ha a kétféle atomot különböző gyorsasággal gyorsítanák, akkor a lézerimpulzusok frekvenciáját és fázisát külön kellene hangolni a Doppler-effektus szerint, amely az eltérő gyorsításból ered. „Ezt a különbséget, ha létezik, mérni kell” – mondja Wicht.

A FBH-nál kifejlesztették a „fényeszköz-készletet” ehhez, egyfajta szinkronizált fényorgonát különböző spektrális szűk sávú diódákkal, mikroreflektorokkal és más miniaturizált optikai komponensekkel. „Két ilyen chipet integrálhatunk egy kerámiaalapra. Körülöttük mikrooptikákat építünk” – meséli Wicht. „Az egész lézerrendszer hat vagy nyolc ilyen modulból áll majd, és térfogata körülbelül ezerszer kisebb lesz, mint egy hagyományos termék.” Hermetikusan zárva lesz, csak a mérőcsőhöz vezető fényvezető marad kiálló.

A bremeri eséstoronyban már bizonyította a rendszer rakétaképességét. 2015 áprilisában kísérleteket terveznek egy 100 kilométer magasra emelkedő ballonrakétán, amely öt percig tartó súlytalanságot biztosít az eséshez. Később hasonló kísérleteket terveznek műholdon vagy az ISS űrállomáson végrehajtani.

Elég nagy erőfeszítés, csak Einstein ellenkezőjét bizonyítani, igaz? – nevet Wicht. „Gondolhatnánk. De amikor a GPS-t kifejlesztették, soha nem gondolták, hogy ma minden okostelefonban elérhető lesz. És így az atomkísérleteken túl a kvantumszenzorok technológiája nem mindennapi, de legalábbis speciális technológiai alkalmazásokat találhat magának.” Az érzékelők segítségével például sebesség- és gyorsulásmérések mellett sűrűségméréseket és nagyon pontos helymeghatározásokat is lehet végezni a Földön.

A brit kormány nemrég 270 millió fontot fektetett a kvantumszenzorok kereskedelmi hasznosításába. Míg ma a pontos helymeghatározáshoz GPS-szatelit elérés szükséges, amely esetleg kieshet, a kvantumszenzorok GPS-mentesen navigálnak, csak egy ismert helyet igényelnek kiindulópontként. Másként működnek, mint a GPS, és a tengeralattjárók mélyén is használhatók. „A második nagy alkalmazási terület a kutatás lesz” – egészíti ki Wicht. „Az érckészletek fölött az atomok gyorsabban „esnek”, mint a normál kőzetek fölött. Földolaj- és vízkészletek is felmérhetők.”

Britország beruház, az USA kísérleteket tervez az ISS-en – és mi a helyzet Németországgal? Az Optikai Technológiák Programbizottság ugyan felismerte a kvantumszenzorokat a Photonik 2020 napirend keretében a BMBF jövőképes technológiájaként, de „ez papír” – mondja Wicht. „A végső célunk a további kutatás finanszírozása, egy politikai döntés. Még jó helyen vagyunk, mert az DLR támogatja ezeket a munkákat. „De vigyáznunk kell, hogy ne veszítsük el jó pozíciónkat.”

A kereskedelem nem elsődleges az alapkutatóknak, mint Wicht. Számukra a tiszta fizika a lényeg. Albert Einstein valószínűleg megmosolyogná, hogy a Föld nem elég nagy ahhoz, hogy felfogja zseniális ötleteinek határait.