Experiment de Pound i Rebka

Archiu:Jefferson Laboratory.jpg

Experiment de Pound i Rebka

El experiment Pound-Rebka és un experiment ben conegut per a provar la teoria de la Relativitat General d'Albert Einstein. Va ser propost per R. V. Pound i G. A. Rebka Jr. en 1959, i va ser l'última de les proves clàssiques de la relativitat general en ser verificades (en eixe mateix any). És un experiment de corriment al roig gravitacional, que medix el corriment al roig de la llum que es mou en un camp gravitatori, o, de forma equivalent, una prova de la predicció de la Relativitat General de que els rellonges deurien anar a diferents velocitats en diferents llocs d'un camp gravitatorio. Es considera que va ser l'experiment que va introduir una era de proves de precisió de la Relativitat General.

Fonament

La prova està basada en el següent principi: quan un àtom sofrix una transició d'un estat excitat a un estat base, emet un fotó en una freqüència i energia específiques(no del tot). Quan el mateix àtom en la seua estat base troba un fotó en eixa mateixa freqüència i energia, ho absorbirà i sofrirà una transició a l'estat excitat. Si la freqüència i l'energia del fotó són diferents és menys provable que l'àtom puga absorbir-ho (esta és la base de la teoria quàntica). Quan el fotó viaja en un camp gravitatori, la seua freqüència i, per tant, la seua energia, canvia pel corriment al roig gravitatori. Com a resultat, l'àtom receptor molt rarament pot absorbir-ho. Pero si l'àtom emissor es mou justament a la velocitat relativa correcta a l'àtom receptor, el corriment doppler resultant es cancelarà en el corriment al roig gravitacional i l'àtom receptor podrà absorbir el fotó. La velocitat relativa "correcta" dels àtoms és per tant una mida del corriment al roig gravitacional.

L'energia associada en el corriment al roig gravitacional a una distància de 22.5 metres és molt menuda. El canvi fraccional en l'energia ve dau per δI/I, és igual a gh/c²=2.5x10^-15. Per tant, es requerixen fotons d'alta energia (llongitut curta d'ona) per a detectar estes diferències diminutes. (Pense's que la llongitut d'ona és la distància entre les fites d'una regla). Els rajos gamma de 14 kev emesos pel ferro-57 quan sofrix una transició de la seua estat base són apropiats per a este experiment.

Normalment, quan un àtom emet o absorbix un fotó, es mou també una miqueta (de rebot), la qual cosa resta una miqueta d'energia del fotó pel principi de conservació del moment. El corriment doppler requerit per a compensar este efecte de rebot seria molt major (uns 5 órdens de magnitut) que el corriment doppler necessari per a compensar el corriment al roig gravitacional. En 1958, Mößbauer va informar que tots els àtoms d'una capa sòlida absorbixen l'energia de rebot quan un àtom de la capa emet un raig gamma. Per tant, l'àtom emissor es mou molt poc (de forma similar a un canó, que no rebota molt quan es posen moltes bosses d'arena despuix d'ell).

Realisació de la prova

Açò va permetre a Pound i Rebka preparar el seu experiment com una variació de l'Espectroscòpia Mössbauer. La prova es va portar a terme en el laboratori Jefferson de l'Universitat d'Harvard. Una mostra sòlida composta de ferro (⁵⁷Fe) emissor de rajos gamma va ser colocada en el centre d'un con d'altaveu que va ser colocat junt a la teulada de l'edifici. Una atra mostra composta de ⁵⁷Fe va ser colocada en el sòtol. La distància entre esta font i el receptor era de 22.5 metres. Els rajos gamma varen viajar a través d'una bossa de Mylar plena d'heli, per a minimisar la dispersió dels rajos gamma. Es va colocar un contador de escintilación baix de la mostra receptora de ⁵⁷Fe per a detectar els rajos gamma que no anaren absorbides per la mostra receptora. Fent vibrar el con d'altaveu, la font de rajos gamma es movia en velocitat variable, creant aixina corriment doppler variables. Quan el corriment doppler es cancela en el corriment al roig gravitacional, la mostra receptora absorbix rajos gamma i el número de rajos gamma detectat pel contador de escintilació disminuïx de forma concorde. La variació en absorció pot ser relacionada en la fase de la vibració de l'altaveu, per tant en la velocitat de la mostra emissora, i per tant en el corriment doppler. Per a compensar possibles errors sistemàtics, Pound i Rebca varen variar la freqüència de l'altaveu entre 10Hz i 50Hz, intercanviant la font i el receptor-detector, i varen usar diferents altaveus (ferroeléctrics i electroimanes mòvils transductores).