|
Раскрытие тайн теории относительности Эйнштейна
|
|
|
|
Вот уже более ста лет физики бьются над одним из самых глубоких вопросов в науке: как правила квантовой механики, управляющие мельчайшими частицами, согласуются с законами общей теории относительности, которые описывают Вселенную в самых больших масштабах?
|
|
|
|
Оптические решетчатые часы, одно из самых точных устройств для измерения времени, становятся мощным инструментом, используемым для решения этой сложной задачи. В оптических решетчатых часах атомы заключены в "решетчатый" потенциал, формируемый лазерными лучами, и управляются с помощью точного контроля квантовой когерентности и взаимодействий, определяемых квантовой механикой.
|
|
|
|
В то же время, согласно законам общей теории относительности Эйнштейна, в более сильных гравитационных полях время течет медленнее. Этот эффект, известный как гравитационное красное смещение, приводит к незначительному сдвигу уровней внутренней энергии атомов в зависимости от их положения в гравитационных полях, вызывая изменение их "тиканья" — колебаний, которые определяют время в оптических решетчатых часах.
|
|
|
|
Измеряя крошечные изменения частоты колебаний в этих сверхточных часах, исследователи могут исследовать влияние теории относительности Эйнштейна на квантовые системы.
|
|
|
|
В то время как релятивистские эффекты хорошо изучены для отдельных атомов, их роль в квантовых системах из многих тел, где атомы могут взаимодействовать и запутываться, остается в значительной степени неизученной.
|
|
|
|
|
|
|
Сделав шаг вперед в этом направлении, исследователи под руководством стипендиатов JILA и NIST, а также профессоров физики Университета Колорадо в Боулдере Джун Йе и Аны Марии Рей в сотрудничестве с учеными из Лейбницевского университета в Ганновере, Австрийской академии наук и Университета Инсбрука предложили практические протоколы для изучения эффектов теория относительности, такая как гравитационное красное смещение, о квантовой запутанности и взаимодействиях в оптических атомных часах.
|
|
|
|
Их работа показала, что взаимодействие между гравитационными эффектами и квантовыми взаимодействиями может привести к неожиданным явлениям, таким как атомная синхронизация и квантовая запутанность частиц.
|
|
|
|
Результаты этого исследования опубликованы в Physical Review Letters.
|
|
|
|
"Одним из наших ключевых открытий является то, что взаимодействия между атомами могут помочь связать их воедино, так что теперь они ведут себя как единая система, а не тикают независимо друг от друга из-за гравитационного красного смещения", - объясняет доктор Анджун Чу, бывший аспирант JILA, а ныне научный сотрудник Чикагского университета и автор статьи.первый автор.
|
|
|
|
"Это действительно здорово, потому что это напрямую показывает взаимосвязь между квантовыми взаимодействиями и гравитационными эффектами".
|
|
|
|
"Взаимосвязь между общей теорией относительности и квантовой запутанностью озадачивала физиков в течение многих лет", - добавляет Рей.
|
|
|
|
"Сложность заключается в том, что поправки на GR в большинстве настольных экспериментов незначительны, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. Однако атомные часы в настоящее время достигают беспрецедентной точности, что позволяет измерять эти неуловимые эффекты.
|
|
|
|
"Поскольку эти часы одновременно опрашивают множество атомов, они предоставляют уникальную платформу для изучения пересечения ОТО и квантовой физики многих тел. В этой работе мы исследовали систему, в которой атомы взаимодействуют путем обмена фотонами внутри оптического резонатора.
|
|
|
|
"Интересно, что мы обнаружили, что, хотя отдельные взаимодействия сами по себе не могут оказать прямого влияния на тиканье часов, их коллективное влияние на красное смещение может значительно изменить динамику и даже создать запутанность между атомами, что очень интересно".
|
|
|
|
Отличительные гравитационные эффекты
|
|
|
|
Чтобы исследовать эту проблему, команда разработала инновационные протоколы для наблюдения за тем, как гравитационное красное смещение влияет на квантовое поведение.
|
|
|
|
Первая задача, на которой они сосредоточились, заключалась в том, чтобы однозначно отличить гравитационные эффекты в оптических решетчатых часах от других источников шума, вносящих свой вклад в крошечные сдвиги частоты.
|
|
|
|
Они использовали метод, называемый протоколом обработки, который предполагает манипулирование внутренними состояниями частиц с помощью лазерного излучения. Хотя протоколы наложения повязок являются стандартным инструментом в квантовой оптике, это один из первых примеров использования протокола для точной настройки гравитационных эффектов.
|
|
|
|
Перестраиваемость основана на механизме, известном как эквивалентность массы и энергии (из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2), что означает, что изменения внутренней энергии частицы могут незначительно изменять ее массу. Исходя из этого механизма, атом в возбужденном состоянии имеет немного большую массу по сравнению с тем же атомом в основном состоянии.
|
|
|
|
Разница масс в гравитационной потенциальной энергии эквивалентна гравитационному красному смещению. Протокол обработки обеспечивает гибкий способ настройки разницы масс и, следовательно, гравитационного красного смещения, управляя частицами таким образом, чтобы они оставались в суперпозиции двух внутренних энергетических состояний.
|
|
|
|
Вместо того, чтобы находиться строго в основном или возбужденном состоянии, частицы могут быть настроены таким образом, чтобы занимать оба состояния одновременно с непрерывным изменением вероятности их нахождения между этими двумя уровнями. Этот метод обеспечивает беспрецедентный контроль внутренних состояний, позволяя исследователям точно настраивать величину гравитационных эффектов.
|
|
|
|
Таким образом, исследователи смогли отличить подлинные эффекты гравитационного красного смещения от других воздействий, таких как градиенты магнитного поля, внутри системы.
|
|
|
|
"Изменяя суперпозиции внутренних уровней частиц, к которым вы обращаетесь, вы можете изменить степень проявления гравитационных эффектов", - отмечает аспирантка JILA Майя Миклош. "Это действительно умный способ исследовать эквивалентность массы и энергии на квантовом уровне".
|
|
Обнаружив синхронизацию и запутанность
|
|
|
|
После того, как был предложен рецепт для определения подлинных гравитационных эффектов, исследователи исследовали гравитационные проявления в квантовой динамике многих тел. Они использовали фотонно-опосредованные взаимодействия, возникающие при размещении атомов в оптическом резонаторе.
|
|
|
|
Если один атом находится в возбужденном состоянии, он может вернуться в основное состояние, испуская фотон в резонатор. Этот фотон не обязательно покидает систему, но может быть поглощен другим атомом в основном состоянии, возбуждая его в свою очередь.
|
|
|
|
Такой обмен энергией, известный как фотонно—опосредованные взаимодействия, является ключом к взаимодействию частиц, даже если они физически не могут соприкасаться друг с другом.
|
|
|
|
Такие типы квантовых взаимодействий могут конкурировать с гравитационными воздействиями на отдельные атомы внутри полости. Как правило, частицы, расположенные на разных "высотах" в пределах гравитационного поля, испытывают небольшие различия в том, как они "тикают" из-за гравитационного красного смещения. Без взаимодействия между частицами небольшая разница в частотах колебаний приведет к тому, что со временем они перестанут синхронизироваться.
|
|
|
|
Однако, когда появились взаимодействия, опосредованные фотонами, произошло нечто удивительное: частицы начали синхронизироваться, эффективно "фиксируя" свое тиканье, несмотря на различия в частотах колебаний, вызванные гравитацией.
|
|
|
|
"Это завораживает", - говорит Чу. "Вы можете представить себе каждую частицу как ее собственные маленькие часы. Но когда они взаимодействуют, они начинают тикать в унисон, даже несмотря на то, что гравитация пытается разделить их время".
|
|
|
|
Эта синхронизация продемонстрировала захватывающее взаимодействие между гравитационными эффектами и квантовыми взаимодействиями, где последние могут преодолеть естественную десинхронизацию, вызванную гравитационным красным смещением.
|
|
|
|
Эта синхронизация была не просто странностью — она также привела к созданию квантовой запутанности, феномена, при котором частицы становятся взаимосвязанными, причем состояние одной из них мгновенно влияет на другую.
|
|
|
|
Примечательно, что исследователи обнаружили, что скорость синхронизации также может служить косвенным показателем запутанности, позволяя получить представление о количественной оценке взаимодействия между двумя эффектами.
|
|
|
|
"Синхронизация - это первое наблюдаемое нами явление, которое раскрывает конкуренцию между гравитационным красным смещением и квантовыми взаимодействиями", - добавляет исследователь из JILA, доктор Кюнгтэ Ким. "Это дает представление о том, как эти две силы уравновешивают друг друга".
|
|
|
|
Хотя это исследование выявило первоначальные взаимодействия между этими двумя областями физики, разработанные протоколы могли бы помочь усовершенствовать экспериментальные методы, сделав их еще более точными — от квантовых вычислений до фундаментальных физических экспериментов.
|
|
|
|
"Обнаружение этой запутанности, обусловленной GR, было бы новаторским достижением, и наши теоретические расчеты показывают, что это находится в пределах досягаемости текущих или ближайших экспериментов", - говорит Рей.
|
|
|
|
Будущие эксперименты могли бы исследовать, как частицы ведут себя в различных условиях или как взаимодействия могут усиливать гравитационные эффекты, приближая нас к объединению двух великих столпов современной физики.
|
|
|
|
Источник
|
