Теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованные в начале 20-го века, коренным образом изменили наше понимание времени. Они показали, что время не является абсолютным; вместо этого, оно может быть подвержено влиянию движения – в частности, часы, движущиеся быстро или ускоряющиеся, испытывают явление, известное как замедление времени, при котором они идут медленнее, чем неподвижные часы. Хотя этот эффект был наблюдаем у относительно крупных объектов, исследователи теперь изучают новый способ его проверки в невероятно малом масштабе с использованием ультрахолодных атомов и структур на основе света.
Подготовка к исследованию: замедление времени и ультрахолодная физика
Замедление времени — это не просто теоретическая прихоть; это ключевой компонент современной физики и имеет практические последствия, такие как работа спутников GPS, которые должны учитывать релятивистские эффекты для точного функционирования. Согласно современному пониманию, чем быстрее движется объект или чем сильнее он подвержен ускорению, тем больше замедляется его время по отношению к неподвижному наблюдателю. Этот принцип также применим к круговому движению, что означает, что движение по кругу также может вызывать замедление времени.
Чтобы исследовать эти эффекты на квантовом уровне, команда во главе с Василисом Лембессисом из Университета короля Сауда использует силу ультрахолодной физики. При температурах всего на долю градуса выше абсолютного нуля — невероятно низкой температуре — квантовые свойства атомов и молекул становятся гораздо более управляемыми. Точно манипулируя атомами и молекулами с помощью лазеров и электромагнитных полей, ученые могут исследовать эффекты вращения и ускорения с беспрецедентной детализацией.
«Оптические американские горки» и квантовые часы
В 2007 году Лембессис и его соавторы разработали метод улавливания и вращения атомов внутри формы цилиндра, используя тщательно настроенные лазерные лучи. Они шутливо назвали эту структуру «оптическими американскими горками», и их последние исследования показывают, что эти крошечные структуры могут предоставить идеальную платформу для наблюдения за релятивистским замедлением времени в квантовой сфере.
В частности, исследователи предлагают использовать молекулы азота в качестве испытуемых. Они рассматривают движение электронов внутри этих молекул как внутренние «часы». Наблюдая за вращением молекул внутри «оптических американских горок», они надеются обнаружить крошечные сдвиги в «частоте тиканья» — по сути, обнаружить эффект замедления времени. Потенциальная точность этих измерений поразительна: исследователи стремятся обнаружить изменения, составляющие одну десятичную долю кватрлиона.
Новая граница для тестов теории относительности
Хотя концепция использования «оптических американских горок» является привлекательной, эксперименты с использованием этих установок до сих пор были относительно редкими. Это новое предложение, следовательно, открывает дверь в новую площадку для тестирования теории относительности, где могут появиться ранее неисследованные эффекты. Квантовая природа этих ультрахолодных частиц даже может поставить под сомнение фундаментальный «гипотезу часов» — предположение о том, что ускорение объекта напрямую влияет на его восприятие времени.
«Важно проверять и подтверждать наше понимание физических явлений в природе», — объясняет Патрик Оберг из Университета Хериот-Ватт. «Это когда мы получаем сюрприз, что-то неожиданное, что нам нужно пересмотреть наше понимание и получить более глубокое понимание Вселенной».
Преимущества и трудности
Одним из ключевых преимуществ этого подхода является то, что он избавляет от необходимости в чрезвычайно высоких скоростях, обычно требуемых для наблюдения за релятивистскими эффектами. Эйдан Арнольд из Университета Стратклайд отмечает: «С невероятной точностью атомных часов… изменение времени, «ощущаемое» атомами «американских горок», должно быть заметным». Кроме того, короткие расстояния, которые атомы проходят во время своего вращения, обеспечат широкие возможности для точных измерений.
Контролируемая среда «оптических американских горок» обещает раскрыть новые сведения о взаимодействии между квантовой механикой и общей теорией относительности.
Исследования не лишены препятствий. Значительной технической задачей будет предотвращение нагрева атомов или молекул, что нарушит их контролируемое движение и сделает эксперимент недействительным. Однако ученые считают, что потенциальные награды – более глубокое понимание теории относительности в квантовом масштабе – оправдывают усилия. Тщательно контролируя лазерные лучи, размер «американских горок» и, следовательно, вращение атомов, можно настраивать для тестирования эффекта замедления времени для разных скоростей вращения.
Потенциал этого подхода заключается в его способности тестировать основы нашего понимания пространства и времени, открывая новые сведения о фундаментальных законах Вселенной.
