Jak ogólna jest ogólna teoria względności

Niezależnie od pióra, jabłka czy cegły: w próżni, gdy nie ma już tarcia i działa tylko grawitacja, wszystkie ciała spadają z taką samą prędkością. Teorię względności Einsteina, konkretnie zasadę równoważności, przewiduje to i jest to zgodne z aktualnym obrazem świata fizyki. A jednak pojawiają się wątpliwości – przynajmniej jeśli chodzi o ekstremalne przypadki. Eksperymenty kosmiczne z użyciem sensorów kwantowych mają teraz przynieść jasność.

„Na dużą skalę galaktyk prawa grawitacji nie wyjaśniają, dlaczego wszechświat rozwinął się tak, jak go znamy”, mówi Andreas Wicht, kierownik grupy pracującej nad metrologią laserową w Instytucie Ferdynanda Brauna, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH). „A na poziomie mikroskopowym, poniżej stu mikrometrów, nie ma żadnych eksperymentalnych badań potwierdzających prawidłowość prawa grawitacji, które znamy.”

Sprawdzenie prawidłowości zasady równoważności na poziomie atomowym jest celem wspólnego projektu QUANTUS III, w którym biorą udział uniwersytety w Hanowerze, Hamburgu, Ulm, Mainz, Darmstadt, Bremie oraz HU-Berlin i FBH. „Konkretne pytanie brzmi: czy atomy rubidu spadają z taką samą prędkością jak atomy potasu?”, wyjaśnia Wicht. Rozwija on wraz z zespołem platformę technologiczną laserów dla tak zwanego interferometru atomowego, sensora kwantowego, który wkrótce ma być używany w przestrzeni kosmicznej.

Już od późnych lat 80. XX wieku prowadzone są eksperymenty „spadku atomów” na skalę laboratoryjną. Jednak różnice w prędkościach spadku są tak minimalne – sięgają co najwyżej dziesiątej części cyfry po przecinku – że do wystarczająco precyzyjnych pomiarów potrzebne są bardzo długie czasy pomiarowe. Można je osiągnąć tylko w przestrzeni kosmicznej. Jednakże stoły pomiarowe o rozmiarze około 2 x 2 metry są na to zbyt nieporęczne. Od połowy lat 90. niemiecki ośrodek DLR wspiera eksperymenty i odpowiednie technologie. Już zrealizowano eksperymenty na Bremskim Teleskopie Spadochronowym, który o wysokości ponad 100 metrów umożliwia swobodny spadek przez cztery sekundy w próżniowej rurze. „Pokazało to, że eksperyment zasadniczo działa. Jednak czas pomiaru jest nadal zbyt krótki.”

Jak działa „eksperyment spadkowy”? „Atomów można właściwie traktować jako czujniki”, wyjaśnia Wicht. W stanie nieważkości atomy wraz z urządzeniem pomiarowym znajdują się właściwie w swobodnym spadku. Najpierw ruch termiczny atomów obu rodzajów jest hamowany impulsami świetlnymi o określonej częstotliwości do tego stopnia, że atomy niemal stoją w miejscu, ponieważ są chłodzone prawie do zera bezwzględnego. Za pomocą kolejnych impulsów laserowych atomy są następnie manipulowane tak, aby znajdowały się w specjalnych stanach, które można opisać wyłącznie za pomocą fizyki kwantowej, dlatego nazywa się je kwantowo-optycznymi czujnikami. Działanie impulsów laserowych i wynik pomiaru kwantowo-optycznego czujnika są jednak bardzo wrażliwe na częstotliwość i fazę impulsów świetlnych. Gdyby atomy tych dwóch rodzajów były przyspieszane różnie, częstotliwość i faza impulsów laserowych musiałyby być dostosowane do efektu Dopplera, który wynika z tego różnego przyspieszenia. „Ten różnicę, jeśli istnieje, trzeba zmierzyć”, wyjaśnia Wicht.

W FBH opracowano „zestaw narzędzi ze światła” do tego celu, będący rodzajem zsynchronizowanej świetlnej harfy z różnych wąskopasmowych diod laserowych, mikrozwierciadeł i innych miniaturowych elementów optycznych. „Możemy zintegrować dwa takie układy na ceramicznym podłożu. Wokół nich budowane są mikro-oczka optyczne”, opowiada Wicht. „Cały system laserowy będzie składał się z sześciu lub ośmiu takich modułów i będzie objętościowo około 1000 razy mniejszy niż standardowy produkt.” Będzie hermetycznie zamknięty, jedynie światłowód prowadzący do komory eksperymentalnej wystaje na zewnątrz.

W Bremskim Teleskopie Spadochronowym system już udowodnił swoją gotowość do lotów rakietowych. Eksperymenty na rakiecie wysokościowej, która wznosi się na około 100 kilometrów, mają się rozpocząć w kwietniu 2015 roku. Do ponownego wejścia w atmosferę Ziemi pozostaje sześć minut stanu nieważkości dla eksperymentu. Później podobne eksperymenty mają być przeprowadzane na satelicie lub na stacji ISS.

Dość duży wysiłek, żeby tylko obalić teorię Einsteina, prawda? Śmieje się Wicht. „Można by tak pomyśleć. Ale kiedy opracowywano GPS, nikt nie myślał, że dzisiaj będzie dostępny w każdym smartfonie. I tak, poza eksperymentami atomowymi, technologia kwantowych sensorów może nie stanie się codziennością, ale znajdzie przynajmniej specjalistyczne zastosowania techniczne.” Oprócz pomiarów prędkości i przyspieszenia można nimi na przykład dokonywać pomiarów gęstości i bardzo precyzyjnych określeń lokalizacji na Ziemi.

Brytyjski rząd niedawno zainwestował 270 milionów funtów w komercjalizację kwantowych sensorów. Podczas gdy dziś do precyzyjnego określenia lokalizacji potrzebny jest dostęp do satelity GPS, który może się zepsuć, kwantowe sensory nawigują bez GPS, potrzebując jedynie znanego punktu odniesienia. W odróżnieniu od GPS, działają również w głębi oceanów z łodzi podwodnych. „Drugim dużym obszarem zastosowań będzie eksploracja”, dodaje Wicht. „Atom w sensorze „spada” szybciej nad złożami rud niż nad zwykłymi skałami. Złoża ropy naftowej i poziom wód gruntowych również można zlokalizować.”

Wielka Brytania inwestuje, USA planują eksperymenty na ISS – a co robią Niemcy? Komitet ds. technologii optycznych zidentyfikował w ramach agendy Photonics 2020 dla BMBF kwantową sensorystykę jako obiecującą technologię przyszłości. „Ale to tylko papier”, mówi Wicht. „To, czego ostatecznie potrzebujemy, to pieniądze na dalsze badania, decyzja polityczna.” Na razie sytuacja jest dość dobra, ponieważ DLR wspiera te prace. „Ale musimy uważać, żeby nie stracić naszej dobrej pozycji.”

Dla podstawowych badaczy, takich jak Andreas Wicht, komercja nie jest najważniejsza. Chodzi im o czystą fizykę. Albert Einstein zapewne uśmiechnąłby się na myśl, że Ziemia nie wystarcza, by objąć granice jego genialnych pomysłów.