30 августа 1999

Уронили атом на пол

Аристотель в своих заблуждениях был не одинок. Житейский опыт прямо-таки подталкивает нас к выводу, что чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Разве свинцовое грузило не падает быстрее пера из подушки? Разумеется, мы-то знаем, что все дело в сопротивлении воздуха. Если из длинной трубки откачать воздух, и перо, и грузило, помещенные вовнутрь, упадут вместе. Тоже был такой опыт в школьной программе.

И все-таки - выполняется ли этот закон для очень-очень легких тел? Скажем, будет ли отдельный атом падать в поле тяготения Земли с такой же скоростью, как и свинцовое грузило? По идее, должен, но проверить это экспериментально до недавнего времени не представлялось никакой возможности. Свинцовое грузило очень просто взять в руки и скинуть с Пизанской башни, но как это сделать с атомом?

В 1997 году Нобелевская премия по физике была присуждена американцам Стивену Чу и Уильяму Филлипсу и французу Клоду Коэн-Таннуджи за развитие методов охлаждения и захвата атомов лазерным светом. Их разработки и предоставили нужные "инструменты" для манипулирования отдельными атомами и молекулами. В статье, вышедшей в последнем номере журнала "Nature", Чу с сотрудниками описывает эксперимент, в котором они все же смогли измерить скорость падения атомов! Бросали они их, правда, не с Пизанской башни, а внутри специального устройства, именуемого атомным интерферометром. Обычный световой интерферометр, как известно, работает, расщепляя луч света на две составляющие, которые идут по слегка разным траекториям. Когда они опять сходятся вместе, то из-за разности траекторий возникает разность фаз между двумя пучками, которая приводит к появлению интерференционной картины. Атомный же интерферометр разделяет не лучи света, а целые атомы, используя тот факт, что, с квантово-механической точки зрения, атом - это не только частица, но и волна. Лазер со специально подобранной длиной волны ("атомный фонтан") как бы "расщепляет" атомы цезия на два энергетических состояния, которые при этом пространственно разделены. Это можно действительно представить себе как фонтан из отдельных атомов цезия, бьющий вверх из магнитооптической ловушки, в которой удерживается около полумиллиарда атомов. Для того, чтобы исключить помехи от теплового движения атомов, особо спланированная серия лазерных пульсов (на жаргоне называемая "оптической патокой") отнимает у них кинетическую энергию, охлаждая атомы до температуры 10 нанокельвин. Потом лазер отключается и атомы начинают падать под действием силы тяжести. Интерференция происходит с теми атомами (вернее, с тем энергетическим состоянием), которые остались внизу. Исходя из интерференционной картины, можно посчитать ускорение свободного падения отдельных атомов.

Померили и посчитали. Оказалось, что с точностью 0.0000003% ускорение свободного падения равно тому самому g, которое было определено из других экспериментов - с телами более ощутимой массы. Параллельно с атомным интерферометром Чу измерил ускорение свободного падения на соседнем столе в своей лаборатории с помощью майкельсоновского гравиметрического интерферометра - довольно стандартного современного прибора для определения силы тяжести. Майкельсоновский интерферометр больше похож на Пизанскую башню, чем атомный - в нем падает маленькое зеркальце, отражающее один из интерферирующих лучей. Разница в значениях g, определенная двумя способами, была ничтожна. Что еще раз показало, что и зеркальце, и атом цезия падают с одинаковым ускорением. И свинцовое грузило, и утиное перо, и Катерина из драмы Островского "Гроза"...

Ссылки:

1. A.Peters, K.Y.Chung, and S.Chu (1999). Measurement of gravitational acceleration by dropping atoms. Nature, 400, p.849-852

Обратно к списку заметок