Na strednej škole sa učíme o gravitačnom zrýchlení a o jeho hodnote 9,81 m/s2. No možno si pamätáte, že je to iba stredná hodnota a intenzita gravitačného poľa sa v priestore mení.
Ľudia už v minulosti pozorovali drobné výchylky smeru pôsobenia gravitačnej sily v okolí veľkých hôr. Tak bola aj po prvýkrát odhadnutá hustota Zeme. Malé zmeny v smere a veľkosti gravitačného zrýchlenia môžu naznačovať ložiská rôznych surovín, tektonické zmeny alebo upozorňovať na potenciálne nebezpečné prázdne štruktúry pod zemou.
Interferencia svetla
Odmerať maličké zmeny mechanickými procesmi, ako napríklad výchylkou olovnice (voľne zavesené závažie na určenie zvislého smeru, pozn. red.), je však veľmi ťažké a za istou hranicou až nemožné. Na pomoc sa preto hlási štandardná priateľka všetkých presných experimentov – interferencia. Základná myšlienka je vcelku jednoduchá. Ak sa stretnú dve vlny tak, že ich maximá sú navzájom zarovnané, vznikne jedna dvojnásobná vlna. Ak sa vlny vzhľadom na seba neskôr o čosi posunú, súhra vĺn sa pokazí a vznikne oveľa slabšie vlnenie.
Týmto spôsobom napríklad na konci 19. storočia Albert A. Michelson a Edward W. Morley nepozorovali pohyb Zeme v éteri, čím dali experimentálny základ zrodu špeciálnej relativity, a na začiatku 21. storočia tímy LIGO a VIRGO pozorovali gravitačné vlny, jeden z dôležitých dôsledkov všeobecnej teórie relativity. Rolu vĺn hralo v oboch prípadoch viditeľné svetlo.
Zmeny gravitačného poľa
Kvantová mechanika nás však učí, že aj častice hmoty majú vlnové vlastnosti. A ako všetky vlny aj kvantové častice vedia spolu interferovať a dôsledky interferencie častíc dokážeme pozorovať. K našej aplikácii však budeme potrebovať ešte jeden dôležitý fyzikálny jav – gravitačnú dilatáciu času. Možno ju poznáte z filmu Interstellar Christophera Nolana. Zo všeobecnej teórie relativity vyplýva, že v miestach, kde je intenzita gravitačného poľa väčšia, plynie čas pomalšie.
A môžeme ísť na to. Predstavte si dve častice, ktoré sú ako vlny navzájom zohraté. Jednu nechajme tak a druhú vyhoďme do vzduchu. Chvíľu letí vzduchom a vráti sa späť. Keďže sa počas svojho letu druhá častica nachádzala v miestach s inou intenzitou gravitačného poľa, jej čas plynul odlišne a jej kvantovomechanická vlna sa vlnila trochu inak ako vlna prvej častice. Súhra dvoch vĺn sa preto pokazila a z pozorovanej zmeny sa dá veľmi presne zistiť, o aké rozdiely gravitačného poľa išlo.
Atómové interferometre
Znie to ako zo sci-fi filmu, ale skutočne také zariadenia existujú. Ako častice sa vezmú vhodné druhy atómov, napríklad rubídium alebo cézium, a na podporenie ich kvantových vlastností sa schladia na teploty blízke absolútnej nule. Týmto prístrojom sa hovorí atómové interferometre. Niektoré sú väčšie, iné menšie a líšia sa v presnom spôsobe, ktorým sa s atómami v gravitačnom poli manipuluje. Rôzne konštrukcie interferometrov majú svoje výhody aj nevýhody, ale všetky majú ambíciu dosiahnuť vysokú presnosť, vhodnú na praktické aplikácie.
Najzaujímavejší zvrat, aspoň z pohľadu teoretického fyzika, však príde až teraz. Nie je totiž ťažké si predstaviť, že podobné technológie sa budú postupne zlepšovať. Zariadenia budú menšie a presnejšie. S trochou vedeckej fantázie sa vieme dostať k situácii, v ktorej bude možné odmerať maličké zmeny gravitačného poľa, a tým napríklad vidieť cez steny. Budeme schopní pozorovať zmeny vo vedľajšej miestnosti na základe zmien gravitačného poľa, ktoré vyvolajú. V takom prípade budeme potrebovať rozumieť gravitačnému pôsobeniu ešte lepšie a nevyhneme sa štúdiu kvantových aspektov gravitačnej teórie. Praktická aplikácia kvantovej gravitácie je, aspoň tak trochu, na svete.
Juraj Tekel
Fakulta matematiky, fyziky a informatiky
Univerzita Komenského v Bratislave
Viac podobných článkov nájdete na stránke vedator.space.
