Metode Pengukuran Baru Gravitasi Menggunakan Atom yang Mengambang


Sebuah tim peneliti di University of California, Berkeley, telah menemukan cara baru untuk mengukur gravitasi dengan mencatat perbedaan atom yang masih dalam bentuk dugaan dengan memanfaatkan sinar laser ke udara. Dalam makalah yang mereka diterbitkan dalam jurnal Science, kelompok riset tersebut menjelaskan penemuan teknik baru mereka dan menjelaskan bahwa metode mereka akan lebih berguna daripada metode konvensional.

Gambar 1. Atom-atom dalam superposisi kuantum yang dipisahkan secara spasial yang ditangguhkan terhadap gravitasi Bumi, menggunakan gelombang berdiri yang dibentuk oleh rongga optik. Kredit: Sarah Davis

Saat ini, metode standar untuk melakukan eksperimen gravitasi adalah dengan menjatuhkan benda-benda ke dalam sebuah tabung tertutup/vakum dan mengukurnya sesuai dengan instrumen yang digunakan. Selain memberikan peneliti sekilas info tentang interaksi gravitasi yang sangat singkat, metode seperti itu sering menjadi masalah karena adanya pengaruh medan magnet dari luar yang tidak disengaja. Dalam upaya baru ini, para peneliti tersebut telah menemukan cara untuk mengukur gravitasi dengan tidak menggunakan benda jatuh sama sekali.

Pendekatan baru ini melibatkan pelepasan awan atom cesium ke udara di sebuah ruang kecil, kemudian dengan menggunakan flashing lights (cahaya yang berkedip) untuk membelah beberapa dari bagian awan atom cesium tersebut sehingga terjadi keadaan superposisi. Setelah terbelah, sinar laser ditembakkan untuk menjaga semua atom dalam posisi tetap dengan salah satu posisi atom terangkat sedikit lebih tinggi dari pasangannya seperti yang diperlihatkan pada gambar 1. Tim peneliti kemudian mengukur dualitas masing-masing gelombang atom yang dipengaruhi oleh gravitasi. Dengan mengukur perbedaan dualitas antara atom-atom yang berpasangan (karena perbedaan jarak atom dari Bumi), para peneliti dapat menemukan pengukuran gravitasi.

Gambar 2. Sinar laser (ungu) menyinari ruang hampa udara tinggi-ultra ke laser-cool atoms hingga kurang dari setengah juta derajat di atas nol mutlak. Sepasang cermin dipasang di dalam ruang vakum untuk meningkatkan kilatan cahaya yang ditembakkan menuju atom. Kredit: Victoria Xu

Khususnya, teknik ini akan memungkinkan pengukuran berlangsung dalam rentang waktu yang lebih lama karena atom yang diukur tidak akan bergerak. Selain itu, dapat digunakan untuk mengukur gaya tarik gravitasi antara dua objek, seperti tarikan gravitasi pada atom oleh marmer. Dan karena peralatan yang digunakan untuk mengukur tarikan semacam itu kecil, akan jauh lebih mudah untuk melindunginya terhadap gangguan eksternal seperti gangguan medan magnet yang acak.

Hal itu juga dapat memungkinkan untuk membangun alat pengukur gravitasi portabel yang dapat digunakan untuk mengukur tarikan gravitasi bumi di lokasi yang berbeda maupun dapat memungkinkan proses identifikasi endapan mineral. Jika melangkah lebih jauh lagi, cara baru untuk mengukur gravitasi mungkin terbukti dapat bermanfaat bagi para ilmuwan yang mencoba untuk memahami sifat material gelap (dark metter) dan menguji gagasan fisika lainnya, seperti prinsip kesetaraan.

Jurnal Referensi:
Victoria Xu et al. Probing gravity by holding atoms for 20 seconds, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aay6428