Сверхточные часы показывают, как связать квантовый мир с гравитацией

ТПечально известный парадокс близнецов отправляет астронавта Алису в невероятно быстрое космическое путешествие. Когда она возвращается, чтобы воссоединиться со своим близнецом Бобом, она обнаруживает, что он стареет намного быстрее, чем она. Это хорошо известный, но сбивающий с толку результат: время замедляется, если вы движетесь быстро.

Гравитация делает то же самое. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, Земля — или любое массивное тело — искажает пространство-время таким образом, что время замедляется. Если бы Алиса прожила свою жизнь на уровне моря, а Боб на вершине Эвереста, где гравитационное притяжение Земли немного слабее, он снова старел бы быстрее. Разница на Земле скромная, но реальная — ее измеряли, устанавливая атомные часы на вершинах гор и на дне долин и измеряя разницу между ними.

Сейчас физикам удалось измерить эту разницу с точностью до миллиметра. В статье, опубликованной в сентябре 2021 года на сервере научных препринтов arxiv.org, исследователи из лаборатории Джуна Йе , физика из JILA в Боулдере, штат Колорадо, измерили разницу в течении времени между верхней и нижней частью миллиметра. высокое облако атомов.

Работа представляет собой шаг к изучению физики на стыке общей теории относительности и квантовой механики, двух теорий, которые, как известно, несовместимы. Новые часы берут принципиально квантовую систему — атомные часы — и переплетают ее с гравитационным притяжением.

В эксперименте команда Е использовала часы на оптической решетке, облако из 100 000 атомов стронция, которые можно щекотать лазером. Если частота лазера правильная, электроны, вращающиеся вокруг каждого атома, будут переведены на более высокую, более энергичную орбиту. Поскольку только небольшой диапазон лазерных частот заставляет электроны двигаться, измерение этой частоты обеспечивает чрезвычайно точное измерение времени. Это похоже на квантовые напольные часы, в которых тиканье происходит из-за колебаний лазерного луча, а не из-за колебаний маятника.

Исследователи разделили свои часы на две части: они посмотрели на свое облако в камеру, а затем нарисовали два воображаемых прямоугольника вокруг верхней и нижней половин. Затем они сравнили частоту тиканья верхней и нижней половин и обнаружили, что время, которое испытывают атомы в верхней части облака, на 0,0000000000000000001% короче, чем время, которое испытывают атомы внизу.

Конкретный способ, которым они измерили сдвиг — сравнение двух частей одного и того же облака — позволил им устранить много шума, общего для обеих частей. Это как измерять парусник в бурном море. Даже когда он непредсказуемо качается вверх и вниз, расстояние между килем и мачтой всегда остается постоянным. Хотя часы, состоящие из облака атомов, могут дрейфовать из-за множества причин — электрических полей, магнитных полей, самого лазерного излучения, тепла окружающей среды — разница в частотах между верхом и низом облака остается неизменной. Измерение этой разницы выявило эффект гравитации. «Это не так просто сделать», — сказал Эндрю Ладлоу , эксперт по атомным часам из Национального института стандартов и технологий, не участвовавший в исследованиях.

Согласно препринту, эта демонстрация — шаг к изучению союза общей теории относительности и квантовой механики. (Авторы отказались от интервью до тех пор, пока статья не будет опубликована в рецензируемом журнале.)

Относительность описывает пространство-время, в котором объекты обладают четко определенными свойствами и предсказуемо перемещаются из одного места в другое. В квантовой теории, напротив, объект может находиться в «суперпозиции» сразу многих свойств или может внезапно переместиться в определенное место. Эти два описания хорошо соответствуют соответствующим сферам реальности, но они несовместимы, если их взять вместе.

Так что же происходит, когда для описания явления необходимы и квантовая механика, и теория относительности?

Возьмем случай, когда массивный объект помещается в суперпозицию двух возможных местоположений одновременно. Общая теория относительности говорит, что любой объект с массой должен искривлять ткань пространства-времени. Но что, если этот объект находится в суперпозиции? Находится ли геометрия пространства-времени также в суперпозиции?

Для изучения таких вопросов физики всегда ищут системы, в которых важны как гравитация, так и квантовая механика. «Часы, безусловно, являются одной из самых многообещающих систем для проверки таких функций», — сказала Фламиния Джакомини , физик-теоретик из Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо, Канада. Часы естественным образом занимают грань между квантовой механикой и теорией относительности. Они показывают время, которое по своей сути является релятивистской концепцией. Они также фундаментально квантовы: электроны переходят с одного энергетического уровня на другой, проходя через суперпозицию пребывания на обоих уровнях.

Если команда Йе улучшит чувствительность своих часов примерно еще в 10 раз — через несколько лет, при нынешнем уровне улучшения, — они смогут начать поиск гравитационных эффектов в поведении своих атомов. Первые признаки этого появятся в процессе, называемом декогеренцией.

Декогеренция отвечает за переход от странного мира квантовой механики к обычному миру повседневного опыта. Каждый раз, когда среда взаимодействует с квантовой системой, это можно рассматривать как крошечное измерение, производимое в системе, — способ для среды узнать что-то о квантовой системе и разрушить ее «квантовость». Физики очень хорошо научились ограждать свои квантовые эксперименты от всего, что может им помешать. Но они не могут защитить их от гравитации.

По мере того, как атомы в часах Йе движутся вверх и вниз в облаке, испытывая изменение течения времени, гравитация меняет способ их взаимодействия друг с другом и вызывает наблюдаемые изменения в их динамике. Это все равно не будет квантовой гравитацией как таковой, где гравитация квантуется на фундаментальные частицы, называемые гравитонами. Но это был бы ценный пример переплетения квантовой механики и гравитации, чтобы вызвать новое явление.

«Все, что может помочь нам узнать, какой тип поведения имеет гравитация, когда роль играют как квантовые, так и гравитационные эффекты, я думаю, будет очень и очень полезным для будущих исследований», — сказал Джакомини.

источник: