Теорії відносності Альберта Ейнштейна, опубліковані на початку 20 століття, кардинально змінили наше розуміння часу. Вони показали, що час не є абсолютним; натомість на нього може впливати рух – зокрема, Годинники, що рухаються швидко або прискорюються, відчувають явище, відоме як уповільнення часу, при якому вони йдуть повільніше, ніж нерухомі Годинники. Хоча цей ефект спостерігався у відносно великих об’єктах, дослідники зараз вивчають новий спосіб перевірити його в неймовірно малих масштабах, використовуючи ультрахолодні атоми та структури на основі світла.
Підготовка до дослідження: уповільнення часу та ультрахолодна Фізика
Уповільнення часу-це не просто теоретична примха; це ключовий компонент сучасної фізики і має практичні наслідки, такі як робота супутників GPS, які повинні враховувати релятивістські ефекти для точного функціонування. Відповідно до сучасного розуміння, чим швидше рухається об’єкт або чим сильніше він піддається прискоренню, тим більше сповільнюється його час по відношенню до нерухомого спостерігача. Цей принцип також застосовується до кругового руху, що означає, що рух по колу також може спричинити уповільнення часу.
Щоб дослідити ці ефекти на квантовому рівні, команда під керівництвом Василіса Лембессіса з Університету короля Сауда використовує силу ультрахолодної фізики. При температурах всього на частку градуса вище абсолютного нуля-неймовірно низькій температурі-квантові властивості атомів і молекул стають набагато більш керованими. Точно маніпулюючи атомами і молекулами за допомогою лазерів і електромагнітних полів, вчені можуть досліджувати ефекти обертання і прискорення з безпрецедентною деталізацією.
“Оптичні американські гірки” та квантові Годинники
У 2007 році Лембессіс та його співавтори розробили метод захоплення та обертання атомів у формі циліндра, використовуючи ретельно налаштовані лазерні промені. Вони жартівливо назвали цю структуру “оптичними американськими гірками”, і їхні останні дослідження показують, що ці крихітні структури можуть забезпечити ідеальну платформу для спостереження за релятивістським уповільненням часу в квантовій сфері.
- Зокрема, дослідники пропонують використовувати молекули азоту як випробовуваних*. Вони розглядають рух електронів всередині цих молекул як внутрішній “годинник”. Спостерігаючи за обертанням молекул всередині “оптичних американських гірок«, вони сподіваються виявити крихітні зрушення в» частоті цокання” — по суті, виявити ефект уповільнення часу. Потенційна точність цих вимірювань вражає: дослідники прагнуть виявити зміни, що становлять одну десяткову частку кватрліона.
Нова межа для тестів теорії відносності
Хоча концепція використання “оптичних американських гірок” є привабливою, експерименти з використанням цих установок досі були відносно рідкісними. * Ця нова пропозиція, отже, відкриває двері до нового майданчика для тестування теорії відносності*, де можуть з’явитися раніше недосліджені ефекти. Квантова природа цих ультрахолодних частинок може навіть поставити під сумнів фундаментальну “гіпотезу годинника” – припущення, що прискорення об’єкта безпосередньо впливає на його сприйняття часу.
“Важливо перевірити та підтвердити наше розуміння фізичних явищ у природі», — пояснює Патрік Оберг з Університету Еріот-Ватта. “Це коли ми отримуємо сюрприз, щось несподіване, що нам потрібно переглянути наше розуміння і отримати більш глибоке розуміння Всесвіту».
Переваги та труднощі
Однією з ключових переваг цього підходу є те, що він позбавляє потреби в надзвичайно високих швидкостях, як правило, необхідних для спостереження за релятивістськими ефектами. Ейдан Арнольд з Університету Стратклайд зазначає: «з неймовірною точністю атомних годин… зміна часу,» відчувається «атомами» американських гірок», має бути помітною”. Крім того, короткі відстані, які атоми проходять під час свого обертання, забезпечать широкі можливості для точних вимірювань.
Контрольоване середовище “оптичних американських гірок” обіцяє розкрити нові уявлення про взаємодію між квантовою механікою та загальною теорією відносності.
Дослідження не позбавлені перешкод. * Значним технічним завданням буде запобігання нагрівання атомів або молекул*, що порушить їх контрольований рух і зробить експеримент недійсним. Однак вчені вважають, що потенційні нагороди – глибше розуміння теорії відносності в квантовому масштабі – виправдовують зусилля. Ретельно контролюючи лазерні промені, розмір “американських гірок” і, отже, обертання атомів, можна налаштовувати для тестування ефекту уповільнення часу для різних швидкостей обертання.
Потенціал цього підходу полягає в його здатності тестувати основи нашого розуміння простору і часу, відкриваючи нові уявлення про фундаментальні закони Всесвіту.
