Abstract: |
Measuring effects of General Relativity and beyond in the gravitational field of the Earth
is a main goal of current research and cutting-edge technology. These effects, predicted by
Einstein’s theory, already play an important role in everyday life, for example in enabling
for precise positioning and time keeping in global satellite navigation systems, such as
GPS and GALILEO.
The breakthrough experimental realisation of Bose-Einstein condensation in 1995, some
70 years after Einstein’s prediction, has since established matter-wave interferometers
in laboratories worldwide, in which laser pulses are used to coherently split, reflect, and
recombine a Bose-Einstein condensate. While already enabling highly accurate quantum
sensors for technological applications as accelerometers, gyroscopes, and gravity gradiometers, matter-wave interferometers with their unprecedented potential sensitivity are highly
anticipated to serve as formidable quantum probes of fundamental physics. For this reason,
concentrated international efforts are currently under way to develop this promising
technology into robust and sensitive instruments.
The German QUANTUS collaboration is at the forefront of this development, having
demonstrated the first Bose-Einstein condensates and matter-wave interferometers in free
fall, and having recently achieved the very first BEC in space on the sounding-rocket
mission MAIUS-1 in early 2017. As its long-time goal, QUANTUS is aiming at a quantum
test of Einstein’s famous Equivalence Principle, which is at the heart of General Relativity
as a geometric theory of gravity.
In this context, it is relevant to develop a precise description of free fall in Earth’s
gravity beyond the usual Newtonian approximation, and thus to take into account the
full reality of curved space-time in terms Einstein’s theory of General Relativity. In this
thesis, we take a grand tour of the relevant concepts of Special and General Relativity
and eventually apply these to the modelling of free falling quantum gases. We base our
description on the experimentally relevant local inertial and non-inertial frames which we
can think of as moving along with experiments in free fall, for example in a drop tower, or
in satellites orbiting the Earth, such as the International Space Station ISS. Our main tool
are Fermi normal coordinates attached to these frames, which provide a local curvature
expansion around flat space-time that exhibits local tidal effects, and can thus be seen
as an expansion around the Equivalence Principle. Being fairly under-represented in the
literature, we extensively discuss these Fermi coordinates, as well as the so-called Riemann
normal coordinates on which they are built. In particular, we provide a new combinatorial
interpretation for the complicated polynomials in the Riemann tensor and its derivatives,
which arise in the expansion for the tetrads and the metric in these coordinates.
We finally apply these methods to the mean-field description of free falling Bose-Einstein
condensates in the gravitational field of the Earth. Modelling the space-time curvature
around our planet in terms of the Schwarzschild metric, we explicitly calculate the metric
in Fermi coordinates for local inertial frames in free fall along purely radial geodesics,
which approximates the experimental situation in a drop tower, as well as along circular
equatorial geodesics which can be used to model the situation on satellites, such as the
ISS. We then use these metrics in the non-linear Klein-Gordon equation which can be seen
to generalise the usual Gross-Pitaevskii equation to curved space-time. Performing the
non-relativistic limit, we obtain the different local tidal-type Newtonian and relativistic
corrections and discuss their orders of magnitude. |
Alternative Abstract: |
Alternative Abstract | Language |
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Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie und darüber hinaus im Schwerkraftfeld der
Erde zu messen ist ein Hauptziel gegenwärtiger Forschung und Technologieentwicklung.
Diese Effekte spielen bereits eine wichtige Rolle im alltäglichen Lebens, so zum Beispiel bei
der hochgenauen Orts- und Zeitbestimmung mit globalen Navigationssatellitensystemen
wie GPS und GALILEO, die heutzutage allgegenwärtig sind.
Die ebenfalls von Einstein vorhergesagte, und 1995 in einem technologischen Durchbruch
erstmals experimentell realisierte Bose-Einstein-Kondensation, hat seither Materiewellen-
Interferometer etabliert, in welchen Laser-Pulse genutzt werden um Bose-Einstein-Kondensate
kohärent aufzuspalten, abzulenken und zu rekombinieren. Während diese bereits überaus
erfolgreich als hochgenaue Sensoren zur Beschleunigungsmessung, als Gyroskope,
sowie als Gravimeter zur Schwerefeldmessung eingesetzt werden, besitzen Materiewellen-
Interferometer mit ihrer beispiellos hohen potentiellen Empfindlichkeit ein enormes Poten-
tial als hervorragende Quantensonden für die fundamentale Physik. Aus diesem Grund
werden weltweit gegenwärtig erhebliche Anstrengungen unternommen um diese vielversprechende
Technologie zu robusten und hochempfindlichen Instrumenten zu entwickeln.
Das deutsche QUANTUS-Projekt (QUANTengase Unter Schwerelosigkeit) steht an
vorderster Front dieser Technologieentwicklung. QUANTUS konnte in den vergangenen
Jahren sowohl die ersten Bose-Einstein-Kondensate, wie auch die ersten Materiewellen-
Interferometer im freien Fall demonstrieren. Anfang 2017 gelang dann im Rahmen der
MAIUS-1 Mission auf einer Höhenforschungsrakete die Erzeugung des weltweit ersten
Bose-Einstein-Kondensats im Weltraum. Hierbei verfolgt QUANTUS das Ziel, mithilfe der
gleichzeitigen Interferometrie an zwei verschiedenen atomaren Spezies, einen Quantentest
des einsteinschen Äquivalenzprinzips durchzuführen, welches die Grundlage der allgemeinen
Relativitätstheorie als geometrische Theorie der Gravitation darstellt.
Vor diesem Hintergrund ist es relevant eine Beschreibung von frei fallenden Experimenten
im Gravitationsfeld der Erde zur Verfügung zu haben, die über die übliche newtonschen
Näherung hinausgeht, und die die Realität der gekrümmten Raumzeit in einem vollständig
kovarianten Ansatz innerhalb der allgemeinen Relativitätstheorie abbildet.
In dieser Dissertation arbeiten wir detailliert die für eine solche umfassende Beschreibung
relevanten Konzepte der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie heraus. Dabei
bauen wir unsere sehr allgemeine Beschreibung auf die experimentell relevanten und durch
sogenannte Vierbeine repräsentierten inertialen, bzw. nicht-inertialen lokalen Koordinatenrahmen
auf, die man sich als mit dem Experiment mitfallende Koordinatensysteme
vorstellen kann, so z. B. im Fallturm, oder auf Satelliten in der Erdumlaufbahn, wie
beispielsweise der Internationale Raumstation ISS. Unser Hauptwerkzeug sind dabei mit
diesen lokalen Rahmen verbundene Fermi-Normalkoordinaten, die eine lokale Krümmungsentwicklung
um die flache Raumzeit darstellen, und somit als eine Entwicklung um das
Äquivalenzprinzip verstanden werden können. Diese in der Forschungsliteratur stark unterrepräsentierten
Fermi-Koordinaten, sowie die ihnen zugrundeliegenden sogenannten
Riemannschen Normalkoordinaten, werden von uns ausgiebig diskutiert. Insbesondere
können wir eine neue kombinatorische Interpretation für die bei der Entwicklung des
Vierbeins und der Metrik in diesen Koordinaten auftretenden komplizierten Polynome im
Riemann-Tensor und seinen Ableitungen angeben.
Abschließend wenden wir diese von uns erarbeiteten allgemein-relativistischen Entwicklungen
auf die mean-field-Beschreibung von im Schwerkraftfeld der Erde frei
fallende Bose-Einstein-Kondensaten an. Dabei modellieren wir die von der Erde erzeugte
Raumzeit-Krümmung durch die Schwarzschild-Metrik, für die wir die lokale Metrik in
Fermi-Koordinaten entlang von radialen und Kreisgeodäten ausrechnen. Mithilfe einer
relativistischen Verallgemeinerung der Gross-Pitaevskii-Gleichung in Form der nichtlineare
Klein-Gordon-Gleichung und der Metrik in Fermi-Koordinaten, erhalten wir im
nichtrelativistischen Grenzfall die verschiedenen lokalen gezeitenartigen newtonschen und
relativistischen Korrekturen und diskutieren ihre Größenordnungen. | German |
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