Η κβαντική ελεύθερη πτώση δοκιμάζει τη θεωρία του Αϊνστάιν

Ο πιο πρόσφατος τρόπος να δοκιμαστεί η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, η οποία αποτελεί βασική εξήγηση της βαρύτητας, είναι ο διαχωρισμός ενός νέφους παγωμένων ατόμων σε ελεύθερη πτώση. Η γενική σχετικότητα βασίζεται στην αρχή της ισοδυναμίας, σύμφωνα με την οποία όλα τα αντικείμενα σε ελεύθερη πτώση πέφτουν με τον ίδιο ρυθμό, ανεξάρτητα από τη μάζα τους, αρκεί η μόνη δύναμη που ασκείται να είναι η βαρύτητα. Η αρχή αυτή έχει αποδειχθεί για μεγάλα αντικείμενα. Ο θρύλος θέλει τον Γαλιλαίο να είναι ο πρώτος που το διαπίστωσε, ρίχνοντας διάφορες μπάλες από τον Πύργο της Πίζας. Ωστόσο δεν είναι ξεκάθαρο εάν η αρχή της ισοδυναμίας ισχύει και σε κβαντική κλίμακα, όπου οι συνέπειες της βαρύτητας δεν είναι πλήρως προσδιορισμένες και κατανοητές. Η αποσαφήνιση αυτού του ερωτήματος θα βοηθήσει στη δημιουργία μίας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας, που αποτελεί έναν από τους μεγαλύτερους στόχους της σύγχρονης φυσικής...

Η δημιουργία ενός κβαντικού αναλόγου του πειράματος του Γαλιλαίου δεν είναι εύκολη. Το 2010 μία επιστημονική ομάδα με επικεφαλής τον Γερμανό Ερνστ Ράζελ του Πανεπιστημίου του Αννοβέρου παρατήρησε ένα κβαντικό αντικείμενο σε ελεύθερη πτώση από έναν πύργο ύψους 110 μέτρων.

Το κβαντικό αντικείμενο ήταν ένα συμπύκνωμα Bose-Einstein (BEC), το οποίο είναι η κατάσταση της ύλης που δημιουργείται όταν μποζόνια περιοριστούν από ένα εξωτερικό δυναμικό και ψυχθούν σε θερμοκρασίες πολύ κοντά στο απόλυτο μηδέν (-273,15° βαθμούς Κελσίου). Υπό αυτές τις συνθήκες τα παγωμένα άτομα συμπεριφέρονται σαν ένα μόνο κβαντικό αντικείμενο, επομένως είναι ταυτόχρονα κύμα και σωματίδιο, και εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα σε μακροσκοπικό επίπεδο.

Η ομάδα του Ράζελ τώρα χωρίζει και επανασυνδυάζει το κύμα προτού το BEC, το οποίο αποτελείται από άτομα ρουβιδίου, φτάσει στο έδαφος. Αυτό το γεγονός οδηγεί στη δημιουργία ενός μοτίβου παρεμβολών, το οποίο καταγράφει τη διαδρομή των ατόμων σε πτώση και επιτρέπει τον υπολογισμό της επιτάχυνσής τους. Το επόμενο βήμα θα είναι η αναπαραγωγή του ίδιου πειράματος με άτομα άλλου στοιχείου και μάζας, προκειμένου να εξακριβωθεί εάν ισχύει η αρχή της ισοδυναμίας.

Το BEC μπορεί να διαχωριστεί μόνο για 0,1 δευτερόλεπτο στον πύργο προτού φτάσει στο έδαφος. Σύμφωνα με τον Ράζελ, εάν το πείραμα επαναληφθεί στο διάστημα, οι πιθανές διαφορές στη συμπεριφορά των ατόμων διαφορετικών στοιχείων θα μπορούν να καταγραφούν καλύτερα, καθώς στο διάστημα τα κύματα θα μπορούν να διαχωριστούν για  μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.

www.naftemporiki.gr