От самолета до Эйнштейна: Пересмотр Галилея
Корпускулярно-волновые свойства элементарных частиц тяжело понять на уровне обыденной логики, но это не мешает ученым вовсю использовать его эффекты. В частности, сегодня мы можем создавать потоки элементарных частиц, и заставлять их взаимодействовать друг с другом, порождая характерные интерференционные картины. Характер чередующихся темных и светлых участков на этих картинах связан со взаимным усилением и ослаблением волн и зависит от отношения их фаз в конкретном участке пространства.
Это позволяет с высочайшей точностью, сравнимой с длинами интерферирующих волн, оценивать расстояние между источником и экраном, создавая сверхточные инструменты — интерферометры. Атомные интерферометры, использующие не фотоны электромагнитного излучения, а отдельные атомы, сегодня далеко не так популярны, как прочие. Однако они имеют огромный потенциал, поскольку длины их волн намного меньше, чем у лазеров инфракрасного, видимого и даже ультрафиолетового диапазона. Это позволяет добиваться результата с точностью, большей на порядки.
Кроме того, на атомы земная гравитация воздействует намного заметнее, чем на излучение, что позволяет использовать атомные интерферометры для сверхточных измерений притяжения Земли. Делается это в хорошо изолированных лабораториях, обычно глубоко под поверхностью.
И, наконец, атомные интерферометры могут служить отличным акселерометром, инструментом для измерения ускорения, не менее точным, нежели современные инерционные. Не имея движущихся частей, такой акселерометр должен быть еще и более надежным и долговечным. Увы, на этом пути имеется серьезная проблема: огромная чувствительность атомных интерферометров. Любая, даже самая незаметная для нас вибрация нарушает результаты их измерений безвозвратно.
Однако французские ученые нашли способ решить эту загвоздку, и даже собрали прототип атомного интерферометра, способного с огромной точностью фиксировать ускорение самолета. Прототип успешно опробован на борту Airbus A300 — и полностью доказал свою работоспособность.
Чтобы добиться этого, авторы устройства пошли довольно простым путем: объединили атомный акселерометр в единую систему с несколькими обычными механическими. Пока атомный работает с присущей ему точностью, механические фиксируют вибрации, которые затем вычитаются из данных атомного акселерометра посредством специальной компьютерной программы. Общий результат их работы по точности намного превосходит стандартные системы.
Если вспомнить об огромном значении, которое сегодня имеют акселерометры — в системах навигации, управления и наведения — новая, более точная, система наверняка также найдет весьма широкое применение. И не только в технике, но и в науке, для более точных измерений в геодезии и гравиметрии, в исследованиях эффектов микрогравитации.
Последнее особенно интересно. Дело в том, что известный принцип равноускоренного движения тел в свободном падении, продемонстрированный еще Галилеем, предполагает, что скорость падения тел в отсутствие сопротивления воздуха не зависит от их структуры. Эйнштейн тесно связал это явление с принципом эквивалентности, в котором предположил, что гравитация и инерция — силы, эквивалентные друг другу, так что различить их практически нельзя.
Нарушение закона свободного падения способно поставить под большое сомнение эту остроумную догадку Эйнштейна — а то и вовсе отбросить ее как несостоятельную. Экспериментаторы в самых тщательных опытах проверили действие принципа, добившись точности вплоть до 10−13, но отклонений не нашли. Однако некоторые теоретики полагают, что более точные измерения позволят найти нарушения, при которых на скорость падения оказывает влияние также и внутренняя микроструктура тела. Иначе говоря, структура тела очень слабо, но все-таки определяет гравитационное притяжение тела, и это слабое влияние при определенной точности опытов можно будет зафиксировать.
По оценке ученых, с использованием предложенной французами системы, комбинирующей атомный интерферометр и механические акселерометры, можно будет добиться точности 10−15, если провести эксперименты на орбите, в условиях микрогравитации. Подобные опыты уже запланированы ESA в ее программе Cosmic Vision на 2020−22 гг. Так что возможно, лет через десять благодаря новому инструменту нас ждет очень большой сюрприз.
По публикации MIT Technology Review / Physics arXiv Blog