Как поймать гравитацию в атомных часах экспресс
Шёпот в ревущем водопаде — примерно так физики ищут гравитомагнитный эффект, крошечное влияние гравитации на вращение частиц. В высокозаряженных ионах, где электроны сняты почти полностью, этот эффект должен быть заметнее. Но атом сам создаёт электрический шум, который заглушает сигнал.
Авторы разложили этот шум по полочкам. Первая помеха — правило отбора: чтобы почувствовать гравитацию, нужен электрон с моментом вращения не меньше 3/2 (как юла, которая крутится достаточно быстро). Но именно такие состояния чувствительны к электрическому полю внутри атома, которое создаёт фон в спектроскопии — методе изучения вещества по его свету. Вторая помеха — взаимодействие ядра с электронами, дающее фон в 10¹⁸ раз сильнее сигнала. Третья — остаточный шум после хитрых ухищрений. Четвёртая — поляризация ядра, которая зависит от его формы, а не от заряда.
Чтобы отделить зёрна от плевел, учёные предлагают метод «королевского графика» (King plot). Берут несколько изотопов одного элемента — атомов с одинаковым зарядом, но разным весом — и сравнивают сдвиги в трёх разных переходах. Это похоже на прослушивание шёпота на трёх частотах: шум водопада меняется предсказуемо, и его можно вычесть. Для цепочки изотопов молибдена такой подход впервые позволяет установить верхнюю границу для отклонения от общей теории относительности. Параметр χ (хи) — отношение гравитационного заряда к массе — не должен отличаться от единицы больше чем в 10⁸–10⁹ раз. Так открывается путь к лабораторной проверке гравитации на квантовом уровне.
Электрический фон внутри атома на 18 порядков (в миллиард миллиардов раз) сильнее гравитационного сигнала, который ищут учёные. Это как сравнивать вес муравья с весом горы.
В романе «Задача трёх тел» Лю Цысиня сверхцивилизация использует многомерные свёртки пространства — метод королевского графика чем-то напоминает попытку разглядеть такие тонкие эффекты в нашей четырёхмерной вселенной.