Konečně poznáme sílu gravitace. Vědci chystají přesnější měření

Gravitační konstanta je jedním z nejdůležitějších čísel ve vesmíru. Díky znalostem gravitace dokážeme poslat kosmickou sondu miliardy kilometrů daleko a přesně vypočítat, kudy poletí gravitačním polem Slunce a planet. Díky Einsteinovi víme, že gravitace deformuje časoprostor, ohýbá světelné paprsky a zpomaluje čas.

Přesto vědci znají gravitační konstantu jen s přesností na čtyři cifry. Říká nám, že dvě kilogramová tělesa vzdálená od sebe 1 metr se přitahují silou asi 6,67 × 10^-11 newtonů. Z desetinného zápisu je patrné, jak malé je to číslo: 0,0000000000667.

„Měření gravitační konstanty bylo nesmírně obtížné,“ říká fyzik Petr Kulhánek, „situace je ještě horší v tom, že pokud ji měříme různými metodami, získáváme různé výsledky. Každý experiment udává určitou chybu, kterou může mít, a hodnoty se nikdy nesejdou.“

Od vahadel ke kvantovým zázrakům

První měření spočívala na principu torzních vah čili vahadla zavěšeného na vlákně. Na vahadle byla zavěšena tělesa, která přitahovaly velké olověné koule. Tím se vahadlo na vlákně stočilo. Z toho, jak se stočil paprsek světla odražený zrcátkem na vlákně, se určila gravitační konstanta.

Torzní váhy, kterými Henry Cavendish v roce 1798 měřil gravitaci|foto: Chris Burks

Achim Peters v roce 1997 využil k měření gravitace chomáč atomů cesia. Připravil je tak, že se nacházely ve dvou stavech zároveň čili v superpozici dvou stavů. Je to těžko představitelné, ale velmi malé objekty jsou toho schopny, upozorňuje profesor Kulhánek.

„Pomocí laserového paprsku byl celý chomáč vystřelen směrem vzhůru. Kdyby byly v jednom stavu, vyletěly by vzhůru. Kdyby byly v jiném stavu, doletěly by nepatrně výše. Každý atom tak současně vyletěl do jedné i druhé výšky. To je zvláštnost mikrosvěta, být na dvou ‚židlích‘ naráz.

Další zvláštnost je, že objekty mikrosvěta se chovají někdy jako ‚kuličky‘, jindy jako vlnění. V tomto experimentu každému stavu příslušela jiná vlna. Na základě interference těchto vln je možné měřit, jak se atomy pohybovaly v gravitačním poli. Je možné měřit i změnu chodu času v tomto gravitačním poli. Byl to neskutečný experiment, protože změřili změnu chodu času na vzdálenosti desetiny milimetru.“

Pokračování po osmnácti letech

Guglielmo Tino se svou skupinou v letech 2014-15 Petersův experiment zopakoval a zdokonalil. Namísto cesia použili vědci rubidium. Připravili tři chomáčky atomů opět v superpozici dvou kvantových stavů a rozmístili je do metr vysokého skleněného válce: dolů, doprostřed a nahoru.

„Chomáčky pomocí laseru rozpohybovali. Hmotové vlny těch dvou stavů opět mezi sebou interferovaly,“ popisuje Petr Kulhánek, „tuto interferenci měřili pomocí jiného laserového svazku. Výsledek byl fascinující: změřili změnu tíhového zrychlení na výšce jednoho metru. Tíhové zrychlení má hodnotu přibližně 10 m/s^2, jeho změna na jednom metru je o sedm řádů menší.“

Chomáček atomů proti půltunové hmotě

V pokračování experimentu rozmístili kolem válce tělesa, která měla pohyb atomů ovlivnit svou gravitací. Šlo o dvě šestice wolframových válečků o celkové hmotnosti půl tuny, umístěné ve spodní a ve vrchní části válce. Čím hmotnější těleso, tím větší je jeho gravitační působení.

„Podařilo se změřit tíhové zrychlení ovlivněné dodatečnými hmotami. Na křivce, jak klesá tíhové zrychlení s výškou, naměřili dva ‚hupy‘, dvě zvlnění. Tím se poprvé podařilo přímo změřit zakřivení časoprostoru. Do budoucna tato metoda určitě pomůže měřit gravitační konstantu s mnohem vyšší přesností.“

Novou hodnotu gravitační konstanty vědci zatím nezveřejnili. V tomto experimentu si „pouze“ ověřovali, zda jsou schopni touto metodou gravitaci měřit. Další pokus bude podle Petra Kulhánka ještě úžasnější.

„Chomáčky rubidiových atomů rozmístí ve válci po pěti až deseti centimetrech, takže budou mít informace o gravitačním poli v celkovém průběhu. Pak se pokusí změřit gravitační konstantu. Toto zařízení by mohlo být schopné měřit i gravitační vlny. Ty jsou také horkým bramborem fyziky, protože je umíme měřit jen nepřímo.“