Конденсат Бозе-Эйнштейна в свободном падении – очередная проверка общей теории относительности.

Экспериментальная установка: лазеры, магнитная ловушка и, собственно полученный конденсат Бозе-Эйнштейна – все это сброшено с высоты 146 метров.

Международная команда физиков показала, что квантовые системы могут быть изучены в условиях отсутствия влияния гравитации на их состояния. Таким образом, ученые пытаются проверить общую теорию относительности. Планируется после удачных испытаний провести аналогичный эксперимент в космосе.

Бозе-Эйнштейновский конденсат образуется, когда одинаковые атомы с целым спином охлаждаются до тех пор, пока все атомы не перейдут в одно квантовое состояние. Это означает, что в составе Б.-Э. конденсата десятки тысяч атомов ведут себя как единая квантовая частица. Б.-Э. конденсат может интерферировать так же как и излучение лазера. Сначала квантовую систему разделяют и отправляют по двум различным путям, а далее объединяют их и получают интерференционную картину на детекторе. Хотя такие эксперименты могут быть проведены с отдельными атомами, их точность существенно увеличивается, когда используется Б.-Э. конденсат.

Интерференция частиц – это способ измерить крошечные различия во влиянии гравитационного поля на разные части Б.-Э. конденсата. Такого рода эксперименты позволят проверить аспекты общей теории относительности, с гораздо более высокой точностью, чем это возможно сегодня. К ним относятся геодезические и Ленц -Тирринга эффекты, которые описывают пространственно-искажающее влияние массы и вращения Земли.

Естественно не обходится без трудностей.

Тем не менее, отправка конденсата Б.-Э. в космос - и даже, перемещение его на несколько сотен метров связано с огромными техническими трудностями, поскольку он должен быть получен и поддерживаться в сверхвысоком вакууме при ультра низкой температуре в процессе, связанном с точным применением магнитных полей и лазерного излучения.

Теперь, Эрнест Разел и его коллеги из университета Лейбница в Ганновере, Германия построили экспериментальную установку, которую могут «ронять» с высоты 146 метров. Они загружают порядка 10⁶ атомов рубидия в магнитно-оптическую ловушку внутрь капсулы - 215 сантиметровый цилиндр. Капсулу спускают с ускорением свободного падения с верхней части башни ZARM в Бремене. В свободном падении, тяжесть внутри капсулы составляет порядка 10^–5 от земной тяжести. В процессе падения в течение нескольких секунд атомы сначала подвергаются лазерному охлаждению, а далее в магнитной ловушке их температура снижается до десятков нанокельвин.

Ученые выяснили, что за одну секунду свободного полета конденсат Бозе-Эйнштейна в установке изменяет свое положение на три миллиметра. Дальнейшие исследования показали, что это смещение было вызвано не гравитационными взаимодействиями, а влиянием магнитных полей в установке. Предполагается повторить эксперимент для атомов в ином квантовом состоянии, чтобы исключить влияние остаточных магнитных полей.

Глядя дальше в будущее

Группа также планирует построить интерферометр чувствительный к микро гравитации, в которых атомы находятся в двух состояниях и в последствии испускают и поглощают фотоны в процессе рекомбинации. Они также планируют создать конденсат Бозе-Эйнштейна содержащий два типа атома, чтобы сравнить поведение.

Исследование частично финансируется немецким космическим агентством и Разел надеется, что изучение конденсата Бозе-Эйнштейна продолжится в дальнейшем. Такие эксперименты могут быть использованы для обнаружения гравитационных волн; сравнение экспериментов в космосе и на Земле может обеспечить очень точные испытания принципа эквивалентности масс.

Хольгер Мюллер университета Калфорния в Беркли, говорит, что опыт " представляет собой очень важный этап" в развитии атомных интерферометров, которые могут использоваться в космическом пространстве. "Космические операции требуют новых технологий, которые очень сложно развиваться", добавил он.