Gravitační síla je nejslabší ze všech čtyř interakcí. Její projevy jsme zatím viděli jen v makrosvětě. Gravitace řídí pády těles, pohyby planet kolem Slunce nebo pohyby hvězd v galaxiích. Její působení na elementární částice je velmi malé a donedávna bylo neměřitelné. Ve světě elementárních částic dominuje elektromagnetická interakce, která je mnohem silnější než gravitace. A na krátkých vzdálenostech se setkáme s interakcí silnou, která drží pohromadě atomové jádro a interakcí slabou, která je zodpovědná například za beta rozpad. V roce 2010 se metodami kvantové teorie podařil neuvěřitelný kousek – bylo změřeno zakřivení času způsobené gravitačním působením Země na výškovém rozdílu 0,1 mm. Kvantové měření sledovalo jev způsobený gravitací. Dvě neslučitelné teorie si podali ruce a výsledkem byla neuvěřitelná přesnost změření červeného gravitačního posuvu. První vlaštovka, první příslib nové generace měřících metod pro gravitační interakci, založených na kvantové teorii.
|
Gravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita, podle které kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Neutron – částice složená ze tří kvarků (ddu) se spinem 1/2, hmotností 1,675×10−27 kg (940 MeV) a nulovým elektrickým nábojem. Volné neutrony jsou nestabilní s poločasem rozpadu 886 s (15 minut). V roce 1930 Walther Bothe a Herbert Becke ostřelovali lehké prvky alfa částicemi a objevili nový druh pronikavého záření. V roce 1932 zjistil James Chadwick, že je toto záření složeno z neutrálních částic přibližné velikosti protonu a objevil tak neutron. |
Neutron jako testovací míček
Experimenty s tíhovým polem působícím na elementární částice prováděla skupina vědců pod vedením profesora Hartmuta Abeleho z Vídeňské technické univerzity. Součástí skupiny jsou i vědci z Laueho-Langevinova ústavu v Grenoblu (ILL, Institute Laue-Langevin), kde byly experimenty fyzicky prováděny. Jako ideální testovací míček posloužil neutron. Pro gravitační pokusy má totiž ideální vlastnosti. Jde o neutrální částici, která je minimálně ovlivňována všudypřítomnými elektromagnetickými silami. Neutron je velmi obtížně polarizovatelný, takže na něho nepůsobí ani různé dipólové síly, jako je například van der Waalsova síla. Neutron má pro experimenty s gravitací dostatečnou životnost, jeho poločas rozpadu je přes 800 sekund. K experimentům je ovšem třeba mít zdroj ultrachladných neutronů s velmi nízkou energií. Jedině u takových částic je možné měřit kvantové stavy neutronu v tíhovém poli. Proto byl použit zdroj neutronů z Laueho-Langevinova ústavu v Grenoblu, který vytváří neutrony s energii nižší než 300 nanoelektronvoltů, tomu odpovídá teplota nižší než 2 milikelviny a rychlost nižší než 15 m/s.
Neutronový zdroj v Laueho-Langevinově ústavu v Grenoblu. Jde o štěpný reaktor, který je
nejintenzivnějším kontinuálním zdrojem neutronů na světě. Pohled shora. Zdroj: ILL.
Laueho-Langevinův ústav v Grenoblu.
Kvantový ping-pong
Pokud poskakuje na stole míček, může se dostat do libovolné výšky dané jeho celkovou energií. Kvantový míček v tíhovém poli se ale chová poněkud jinak. Může se nacházet jen v určitých energetických stavech daných řešením Schrödingerovy rovnice s potenciální energií V(z) = mgz a okrajovou podmínkou na vlnovou funkci ve tvaru ψ(0) = 0, která říká, že míček nemůže proniknout do stolu a vždy se odrazí. Kvantový míček může vystoupat jen do určitých výšek daných možnými energetickými stavy. Nejnižší energetický stav pro poskakující míček má energii 1,41 peV (pikoelektronvoltů), druhý 2,46 peV, třetí 3,32 peV atd. Pro normální pinpongový míček jsou tyto stavy neměřitelné, pro ultrachladné neutrony je možné, jak uvidíme dále, takové stavy detekovat. Pravděpodobnost výskytu míčku v určité výšce nad podložkou je dána kvadrátem vlnové funkce, v tomto případě jde o Airiho funkce, na které vede řešení Schrödingerovy rovnice.
Kvantový míček. Na vodorovné ose je energie míčku, vyznačeny jsou přípustné energetické stavy v kvantové teorii. Na svislé ose je výška nad podložkou. Modrou čárou je znázorněna výška, které by poskakující míček s danou energií dosáhl v klasické mechanice. Červeně je vyznačena kvantová pravděpodobnost výskytu míčku (její hodnota narůstá směrem doprava). Zdroj: Upraveno podle [3].
Gravitační rezonanční spektroskopie
K nejpřesnějším experimentálním metodám patří rezonanční metody. Vzpomeňme si například na elektronovou nebo jadernou magnetickou rezonanci. Principem těchto metod je přechod systému mezi dvěma kvantovými stavy způsobený vnějším podnětem. V případě neutronu nad podložkou půjde o kvantové stavy v tíhovém poli. A jak vypadal skutečný experiment? Ultrachladné neutrony byly nasměrovány mezi dvě vodorovné desky. Spodní deska sloužila jako podložka, od které se neutron, pohybující se v klasickém případě po oblouku, může odrazit. Horní deska byla pomocná a byla zkonstruována tak, aby pohltila neutrony, které se dostaly až do její výšky. Vzdálenost mezi deskami byla přibližně 20 až 25 mikrometrů, takže neutrony v prvním a druhém kvantovém stavu mohly bez problémů prolétnout mezi deskami (nedosáhly výšky druhé desky). Chladné neutrony to ale neměly tak jednoduché. Spodní deska totiž vibrovala řízeným způsobem. Byla rozkmitána za pomoci piezoelektrického jevu a její kmity byly přesně kontrolovány za pomocí laseru. Pokud deska vibrovala, způsobila rezonanční přeskok neutronů mezi prvním a třetím energetickým stavem a většina neutronů mezi deskami neprolétla, protože třetí energetický stav znamená, že se neutron dostal až do výšky horní desky a byl jí absorbován. Pokud dolní deska nevibrovala, většina neutronů mezi deskami prošla.
Uspořádání experimentu. Neutrony prolétávají mezi deskami vzdálenými 20 až 25 mikrometrů rychlostí přibližně 5 m/s v základním energetickém stavu. Dolní deska může vibrovat a rezonančně předat neutronům energii a vybudit je do vyššího energetického stavu. Detektor napravo sleduje počet prolétlých neutronů. Pokud deska nevibruje, neutrony prolétnou. Pokud vibruje, dostanou se do třetího energetického stavu a horní deska je pohltí. Zdroj: Vídeňská technická univerzita.
Závěr
Historicky poprvé byly měřeny kvantové stavy částice v gravitačním poli a bylo možné tyto stavy změnit za pomoci vibrující destičky. Tato rezonanční metoda může mít zcela zásadní vliv na poznání gravitační interakce na malých měřítcích, kde dosud chyběla jakákoli měření. Máme vysokou šanci se dozvědět, jak gravitace funguje ve světě elementárních částic a zda se skutečnost odchyluje od Newtonových a Einsteinových představ či nikoli. Gravitační rezonanční spektroskopií bude možné hledat předpovězenou vazbu mezi spinem a hmotností částic, ze které plyne existence axionům podobných částic. Gravitaci bude možné testovat na tak malých vzdálenostech, že by se na výsledku měření mohla podepsat existence či neexistence strun. Lidstvu se tak otvírá nové okno do světa gravitace na ultrakrátkých vzdálenostech, které může zcela změnit náš pohled nejen na gravitaci, ale i na její vztah k ostatním interakcím.
Zdroje:
- Florian Aigner: Probing the Laws of Gravity: A Gravity Resonance Method; Vienna University of Technology News, Press Release 28/2011
- Tobias Jenke, Peter Geltenbort, Hartmut Lemmel, Hartmut Abele: Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique; Nature Physics; 2011
- Tobias Jenke: A realization of Gravity Resonance Spectroscopy within the qBounce experiment; Rencontres de Moriond Gravitation Session La Thuile, Italy, 21 Mar 2011
- Jason Palmer: Neutrons could test Newton's gravity and string theory; BBC News, Science and technology, 18 April 2011
- Joerg Heber: Gravity weighs in on spectroscopy; All that Matters, April 17, 2011
- Chad Orzel: Bouncing Neutrons for Fun and Science – Realization of a gravity-resonance-spectroscopy technique; Uncertain Principles, April 21, 2011
