Сверхточные часы показывают, как связать квантовый мир с гравитацией

 Установлено, что время протекает по-разному между верхней и нижней частью одного облака атомов. Физики надеются, что однажды такая система поможет им соединить квантовую механику с теорией гравитации Эйнштейна.

Об этом пишет Quantamagazine.

Печально известный парадокс близнецов отправляет астронавта Алису в невероятно быстрое космическое путешествие. Когда она возвращается, чтобы воссоединиться со своим близнецом Бобом, то обнаруживает, что он состарился гораздо быстрее, чем она. Это хорошо известный, но непонятный результат: время замедляется, если вы двигаетесь быстро.

Гравитация делает то же самое. Согласно общей теории относительности Альберта Эйнштейна, Земля - ​​или любое массивное тело - деформирует пространство-время таким образом, что замедляется время. Если бы Алиса прожила свою жизнь на уровне моря, а Боб на вершине Эвереста, где гравитационное тяготение Земли немного слабее, он бы снова старел быстрее. Разница на Земле скромная, но реальная – она была измерена путем размещения атомных часов на вершинах гор и низменностях долин с измерением разницы между ними.

Теперь физикам удалось измерить эту разницу до миллиметра. В статье, опубликованной в начале этого месяца на сервере научных препринтов arxiv.org, исследователи из лаборатории Джун Йе, физика из JILA (общий институт Колорадского университета в Боулдере и Национального института стандартов и технологий), измерили разницу в течении времени между верхней и нижней чястями облака атомов высотой в миллиметр.

Эта работа – шаг к изучению физики на стыке общей теории относительности и квантовой механики, двух теорий, которые, как известно, несовместимы. Новые часы используют принципиально квантовую систему — атомные часы — и переплетают ее с гравитационным тяготением.

В эксперименте команда Йе использовала часы с оптической решеткой – облаком из 100 000 атомов стронция, которые можно пощекотать лазером. Если частота лазера верна, электроны, вращающиеся вокруг каждого атома, будут возбуждены на более высокую, более энергичную орбиту. Поскольку только крохотный диапазон частот лазера побуждает электроны двигаться, измерение этой частоты обеспечивает очень точное измерение времени. Это как квантовые часы, где тиканье происходит от колебаний лазерного света, а не колебаний маятника.

Исследователи разделили свои часы на две части — они посмотрели на облако на камеру, а затем нарисовали две воображаемые рамки вокруг верхней и нижней половин. Затем они сравнили частоту тикания верхней и нижней половин, обнаружив, что время, которое переживают атомы в верхней части облака, на 0,00000000000000001% меньше, чем время, переживаемое атомами в нижней части.

Специфический способ измерения сдвига — сравнение двух частей одного облака — позволил им устранить много шума, который был общим для обеих частей. Это как измерять парусник в бурном море. Даже если он непредсказуемо клонится вверх и вниз, расстояние между килем и мачтой всегда будет оставаться постоянным. Хотя часы, изготовленные из облака атомов, могут дрейфовать через любое количество вещей – электрические поля, магнитные поля, сам лазерный свет, тепло из окружающей среды – разница в частотах между верхней и нижней частью облака остается неизменной. Измерение этой разницы показало эффект гравитации. «Это нетривиальная задача», — отметил Эндрю Ладлоу, эксперт по атомным часам Национального института стандартов и технологий, не участвовавший в исследовании.

Согласно препринту, эта демонстрация является шагом в изучении объединения общей теории относительности и квантовой механики. (Авторы отказались от интервью, 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» многих свойств одновременно или он может внезапно переместиться в конкретное место. Эти два описания хорошо подходят к их соответствующим сферам реальности, но они несовместимы, если их взять вместе.

Итак, что происходит, когда для описания явления необходимы как квантовая механика, так и теория относительности?

Возьмем случай, когда массивный объект помещен в суперпозицию двух возможных местоположений одновременно. Общая теория относительности гласит, что любой объект с массой должен изгибать ткань пространства-времени. Но что если этот объект находится в суперпозиции? Геометрия пространства-времени также находится в суперпозиции?

Для исследования схожих вопросов физики постоянно отыскивают системы, где принципиальны как гравитация, так и квантовая механика. "Часы, несомненно, являются одной из самых перспективных систем для проверки подобных свойств", - сказала Фламиния Джакомини, физик-теоретик из Института теоретической физики Периметра в Ватерлоо, Канада. Часы естественным образом пересекают границу между квантовой механикой и теорией относительности. Они указывают время, которое является релятивистской концепцией. Они также фундаментально квантовые: б) перемещение электронов с одного энергетического уровня на другой заключается в прохождении через суперпозицию, в которой они находятся на обоих уровнях.

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

Декогерентность отвечает за переход от странного мира квантовой механики к обычному миру повседневного опыта. Каждый раз, когда окружающая среда взаимодействует с квантовой системой, это можно рассматривать как крошечное измерение, сделанное на системе — способ для окружающей среды узнать что-то о квантовой системе и разрушить ее квантовость. Физики очень хорошо научились защищать свои квантовые эксперименты от всего, что могло бы нарушить их в окружающей среде. Но они не могут оградить их от гравитации.

Поскольку атомы в часах Йе двигаются вверх и вниз в облаке, чувствуя изменение течения времени, гравитация изменит способ их взаимодействия друг с другом и приведет к заметным изменениям в их динамике. Это все еще не будет квантовой гравитацией как таковой, где гравитация квантуется на фундаментальные частицы, называемые гравитонами. Но это был бы ценный пример переплета квантовой механики и гравитации, чтобы вызвать новое явление.

«Все, что может помочь нам узнать, какой тип поведения играет гравитация, когда играют роль как квантовый, так и гравитационный эффекты, я думаю, будет очень, очень полезно для будущих исследований», — сказала Джакомини.