Виявлено, що час протікає по-різному між верхньою та нижньою частиною однієї хмари атомів. Фізики сподіваються, що одного дня така система допоможе їм поєднати квантову механіку з теорію гравітації Ейнштейна.
Про це пише Quantamagazine.
Сумнозвісний парадокс близнюків відправляє астронавтку Алісу в неймовірно швидку космічну подорож. Коли вона повертається, щоб возз’єднатися зі своїм близнюком Бобом, то виявляє, що він постарішав набагато швидше, ніж вона. Це добре відомий, але незрозумілий результат: час сповільнюється, якщо ви рухаєтеся швидко.
Гравітація робить те ж саме. Згідно із загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна, Земля — або будь-яке масивне тіло — деформує простір-час таким чином, що сповільнює час. Якби Аліса прожила своє життя на рівні моря, а Боб на вершині Евересту, де гравітаційне тяжіння Землі трохи слабкіше, він би знову старів швидше. Різниця на Землі скромна, але реальна — вона була виміряна шляхом розміщення атомних годинників на вершинах гір і низинах долин з вимірюванням різниці між ними.
Тепер фізикам вдалося виміряти цю різницю до міліметра. У статті, опублікованій на початку цього місяця на сервері наукових препринтів arxiv.org, дослідники з лабораторії Джун Йє, фізика з JILA (спільний інститут Колорадського університету у Боулдері й Національного інституту стандартів і технологій), виміряли різницю у плині часу між верхньою і нижньою частиною хмари атомів висотою у міліметр.
Ця робота -- крок до вивчення фізики на стику загальної теорії відносності та квантової механіки, двох теорій, які, як відомо, несумісні. Новий годинник використовує принципово квантову систему — атомний годинник — і переплітає її з гравітаційним тяжінням.
В експерименті команда Йє використовувала годинник з оптичною ґраткою -- хмарою зі 100 000 атомів стронцію, яку можна полоскотати лазером. Якщо частота лазера правильна, електрони, що обертаються навколо кожного атома, будуть збуджені на більш високу, більш енергійну орбіту. Оскільки лише крихітний діапазон частот лазера спонукає електрони рухатися, вимірювання цієї частоти забезпечує надзвичайно точне вимірювання часу. Це як квантовий годинник, де цокання відбувається від коливань лазерного світла, а не коливань маятника.
Дослідники розділили свій годинник на дві частини — вони подивилися на свою хмару на камеру, а потім намалювали два уявні рамки навколо верхньої та нижньої половин. Потім вони порівняли частоту цокання верхньої та нижньої половин, виявивши, що час, який переживають атоми у верхній частині хмари, на 0,00000000000000001% менше, ніж час, який переживають атоми у нижній частині.
Специфічний спосіб вимірювання зсуву — порівняння двох частин однієї хмари — дозволив їм усунути багато шуму, який був спільним для обох частин. Це як вимірювати вітрильник у бурхливому морі. Навіть якщо він непередбачувано хилиться вгору і вниз, відстань між кілем і щоглою завжди залишатиметься постійною. Хоча годинник, виготовлений з хмари атомів, може дрейфувати через будь-яку кількість речей — електричні поля, магнітні поля, саме лазерне світло, тепло з навколишнього середовища — різниця в частотах між верхньою і нижньою частиною хмари залишається незмінною. Вимірювання цієї різниці виявило ефект гравітації. «Це нетривіальна задача», — відмітив Ендрю Ладлоу, експерт з атомних годинників Національного інституту стандартів і технологій, який не брав участі в дослідженні.
Згідно з препринтом, ця демонстрація є кроком до вивчення об'єднання загальної теорії відносності та квантової механіки. (Автори відмовилися від інтерв’ю, поки стаття не буде опублікована у рецензованому журналі.)
Відносність описує простір-час, в якому об’єкти мають чітко визначені властивості й передбачувано переміщуються з одного місця в інше. У квантовій теорії, навпаки, об’єкт може перебувати у «суперпозиції» багатьох властивостей одночасно, або він може раптово переміститися в конкретне місце. Ці два описи добре підходять до їхніх відповідних сфер реальності, але вони несумісні, якщо їх взяти разом.
Отже, що відбувається, коли для опису явища необхідні як квантова механіка, так і теорія відносності?
Візьмемо випадок, коли масивний об’єкт поміщено у суперпозицію двох можливих місцеположень одночасно. Загальна теорія відносності говорить, що будь-який об'єкт з масою повинен згинати тканину простору-часу. Але що, якщо цей об’єкт знаходиться у суперпозиції? Геометрія простору-часу також знаходиться в суперпозиції?
Для вивчення подібних питань фізики завжди шукають системи, де важливі як гравітація, так і квантова механіка. «Годинники, безсумнівно, є однією з найперспективніших систем для перевірки подібних властивостей», – сказала Фламінія Джакоміні, фізик-теоретик з Інституту теоретичної фізики Периметра у Ватерлоо, Канада. Годинники природним чином перетинають межу між квантовою механікою та теорією відносності. Вони вказують час, що є релятивістською концепцією. Вони також фундаментально квантові: спосіб переміщення електронів з одного енергетичного рівня на інший полягає в проходженні через суперпозицію, в якій вони перебувають на обох рівнях.
Якщо команда Йє покращить чутливість свого годинника приблизно у 10 разів — через кілька років, при нинішньому темпі покращення — вони зможуть почати пошук гравітаційних ефектів у поведінці своїх атомів. Перші ознаки цього з’являться в процесі, який називається декогеренцією.
Декогерентність відповідає за перехід від дивного світу квантової механіки до звичайного світу повсякденного досвіду. Кожного разу, коли навколишнє середовище взаємодіє з квантовою системою, це можна розглядати як крихітне вимірювання, зроблене на системі — спосіб для навколишнього середовища дізнатися щось про квантову систему та зруйнувати її «квантовість». Фізики дуже добре навчились захищати свої квантові експерименти від усього, що могло б їх порушити у навколишньому середовищі. Але вони не можуть захистити їх від гравітації.
Оскільки атоми в годиннику Йє рухаються вгору та вниз у хмарі, відчуваючи зміну плину часу, гравітація змінить спосіб їх взаємодії один з одним і спричинить помітні зміни в їх динаміці. Це все ще не буде квантовою гравітацією як такою, де гравітація квантується на фундаментальні частинки, які називаються гравітонами. Але це був би цінний приклад переплетення квантової механіки та гравітації, щоб викликати нове явище.
«Все, що може допомогти нам дізнатися, який тип поведінки має гравітація, коли грають роль як квантовий, так і гравітаційний ефекти, я думаю, буде дуже, дуже корисно для майбутніх досліджень», — сказав Джакоміні.
Коментарі
Дописати коментар