Experimento Pound-Rebka
El experimento de Pound-Rebka fue un experimento en el que se emitieron rayos gamma desde la parte superior de una torre y se midieron con un receptor en la parte inferior de la torre. El propósito del experimento era probar la teoría de la relatividad general de Albert Einstein mostrando que los fotones ganan energía cuando viajan hacia una fuente gravitacional (la Tierra). Fue propuesto por Robert Pound y su estudiante graduado Glen A. Rebka Jr. en 1959, [1] y fue la última de las pruebas clásicas de relatividad general en ser verificada (en el mismo año). Es un corrimiento al rojo gravitacionalexperimento, que mide el cambio de frecuencia de la luz que se mueve en un campo gravitacional. En este experimento, el cambio de frecuencia fue un cambio azul hacia una frecuencia más alta. De manera equivalente, la prueba demostró la predicción de la relatividad general de que los relojes deberían funcionar a diferentes velocidades en diferentes lugares de un campo gravitacional . Se considera que es el experimento que marcó el comienzo de una era de pruebas de precisión de la relatividad general.
Considere un electrón unido a un átomo en un estado excitado. A medida que el electrón experimenta una transición del estado excitado a un estado de menor energía, emitirá un fotón con una frecuencia correspondiente a la diferencia de energía entre el estado excitado y el estado de menor energía. También ocurrirá el proceso inverso: si el electrón está en el estado de menor energía, entonces puede experimentar una transición al estado excitado absorbiendo un fotón en la frecuencia resonante para esta transición. En la práctica, no se requiere que la frecuencia del fotón esté exactamente en la frecuencia resonante, sino que debe estar en un rango estrecho de frecuencias centradas en la frecuencia resonante: un fotón con una frecuencia fuera de esta región no puede excitar al electrón a un estado de mayor energía.
Ahora considere dos copias de este sistema electrón-átomo, una en el estado excitado (el emisor) y la otra en el estado de menor energía (el receptor). Si los dos sistemas son estacionarios entre sí y el espacio entre ellos es plano (es decir, despreciamos los campos gravitacionales), el fotón emitido por el emisor puede ser absorbido por el electrón en el receptor. Sin embargo, si los dos sistemas están en un campo gravitacional, entonces el fotón puede sufrir un corrimiento al rojo gravitacional a medida que viaja del primer sistema al segundo, lo que hace que la frecuencia del fotón observada por el receptor sea diferente a la frecuencia observada por el emisor cuando fue emitido originalmente. Otra posible fuente de corrimiento al rojo es el efecto Doppler.: si los dos sistemas no están estacionarios entre sí, la frecuencia de los fotones se verá modificada por la velocidad relativa entre ellos.
En el experimento de Pound-Rebka, el emisor se colocó en la parte superior de una torre con el receptor en la parte inferior. La relatividad general predice que el campo gravitacional de la Tierra hará que un fotón emitido hacia abajo (hacia la Tierra) se desplace al azul (es decir, su frecuencia aumentará) de acuerdo con la fórmula:
donde y son las frecuencias del receptor y el emisor, h es la distancia entre el receptor y el emisor, M es la masa de la Tierra, R es el radio de la Tierra , G es la constante de Newton y c es la velocidad de la luz . Para contrarrestar el efecto del desplazamiento hacia el azul gravitacional, el emisor se movió hacia arriba (lejos del receptor) provocando que la frecuencia del fotón se desplazara al rojo, de acuerdo con la fórmula de desplazamiento Doppler:
donde es la velocidad relativa entre el emisor y el receptor. Pound y Rebka variaron la velocidad relativa para que el corrimiento al rojo Doppler cancelara exactamente el corrimiento al azul gravitacional:
