Teorie względności Alberta Einsteina, opublikowane na początku XX wieku, zasadniczo zmieniły nasze rozumienie czasu. Wykazali, że czas nie jest absolutny; zamiast tego może na niego wpływać ruch-w szczególności Zegary poruszające się szybko lub przyspieszające doświadczają zjawiska znanego jako dylatacja czasu, w którym poruszają się wolniej niż Zegary stacjonarne. Chociaż efekt ten zaobserwowano w stosunkowo dużych obiektach, naukowcy badają teraz nowy sposób testowania go na niewiarygodnie małą skalę przy użyciu ultrazimnych atomów i struktur opartych na świetle.
Przygotowanie do badań: dylatacja czasu i ultrazimna fizyka
Dylatacja czasu to nie tylko teoretyczna moda; jest kluczowym elementem współczesnej fizyki i ma praktyczne implikacje, takie jak działanie satelitów GPS, które muszą uwzględniać efekty relatywistyczne, aby dokładnie funkcjonować. Zgodnie ze współczesnym rozumieniem, im szybciej obiekt się porusza lub im bardziej podlega przyspieszeniu, tym bardziej jego czas zwalnia w stosunku do nieruchomego obserwatora. Zasada ta ma również zastosowanie do ruchu kołowego, co oznacza, że poruszanie się po okręgu może również powodować dylatację czasu.
Aby zbadać te efekty na poziomie kwantowym, zespół kierowany przez Vasilisa Lembessisa z King Saud University wykorzystuje moc ultrazimnej fizyki. Przy temperaturach zaledwie ułamka stopnia powyżej zera absolutnego-niewiarygodnie niskiej temperaturze – właściwości kwantowe atomów i cząsteczek stają się znacznie łatwiejsze do opanowania. Precyzyjnie manipulując atomami i cząsteczkami za pomocą laserów i pól elektromagnetycznych, naukowcy mogą badać efekty rotacji i przyspieszenia z niespotykaną szczegółowością.
“Kolejka górska optyczna” i zegar kwantowy
W 2007 roku Lembessis i jego współautorzy opracowali metodę wychwytywania i obracania atomów w kształcie cylindra przy użyciu starannie dostrojonych wiązek laserowych. Żartobliwie nazwali tę strukturę “optyczną kolejką górską”, a ich najnowsze badania sugerują, że te małe struktury mogą stanowić idealną platformę do obserwacji relatywistycznej dylatacji czasu w sferze kwantowej.
W szczególności naukowcy sugerują wykorzystanie cząsteczek azotu jako obiektów testowych. Postrzegają ruch elektronów w tych cząsteczkach jako wewnętrzny “zegar”. Obserwując wirowanie cząsteczek w “optycznej kolejce górskiej”, mają nadzieję wykryć niewielkie zmiany w” częstotliwości tykania ” — zasadniczo wykryć efekt dylatacji czasu. Potencjalna dokładność tych pomiarów jest uderzająca: naukowcy starają się wykryć zmiany, które stanowią jedną ułamek dziesiętny kwarlionu.
Nowa granica dla testów teorii względności
Chociaż koncepcja wykorzystania “optycznej kolejki górskiej” jest atrakcyjna, eksperymenty z wykorzystaniem tych konfiguracji były jak dotąd stosunkowo rzadkie. Ta nowa propozycja otwiera zatem drzwi do nowego miejsca testowania teorii względności, gdzie mogą pojawić się wcześniej niezbadane efekty. Kwantowa natura tych ultrazimnych cząstek może nawet podważyć fundamentalną ” hipotezę zegara — – założenie, że przyspieszenie obiektu bezpośrednio wpływa na jego postrzeganie czasu.
“Ważne jest, aby przetestować i potwierdzić nasze zrozumienie zjawisk fizycznych w przyrodzie” — wyjaśnia Patrick Oberg z Uniwersytetu Heriot-Watt. “To wtedy otrzymujemy niespodziankę, coś nieoczekiwanego, że musimy przemyśleć nasze zrozumienie i uzyskać głębsze zrozumienie wszechświata”.
Korzyści i trudności
Jedną z kluczowych zalet tego podejścia jest to, że eliminuje potrzebę ekstremalnie wysokich prędkości zwykle wymaganych do obserwacji efektów relatywistycznych. Aidan Arnold z University of Strathclyde zauważa: “z niesamowitą dokładnością zegara atomowego … zmiana czasu” odczuwana “przez atomy” kolejki górskiej”powinna być zauważalna”. Ponadto krótkie odległości pokonywane przez atomy podczas ich rotacji zapewnią szerokie możliwości precyzyjnych pomiarów.
Kontrolowane środowisko “optycznej kolejki górskiej” obiecuje odkryć nowe informacje na temat interakcji między mechaniką kwantową a ogólną teorią względności.
Badania nie są pozbawione przeszkód. * Istotnym wyzwaniem technicznym będzie zapobieganie nagrzewaniu się atomów lub cząsteczek*, co zakłóci ich kontrolowany ruch i unieważni eksperyment. Jednak naukowcy uważają, że potencjalne nagrody – lepsze zrozumienie teorii względności w skali kwantowej-uzasadniają wysiłek. Dzięki starannej kontroli wiązek laserowych, wielkości kolejki górskiej, a tym samym rotacji atomów, można dostosować, aby przetestować efekt dylatacji czasu dla różnych prędkości obrotowych.
Potencjał tego podejścia polega na jego zdolności do testowania podstaw naszego rozumienia przestrzeni i czasu, odkrywając nowe spostrzeżenia na temat podstawowych praw wszechświata.
