Ультрахолодные атомы: новая возможность для проверки теории относительности

Удерживание и вращение чрезвычайно холодных атомов или молекул внутри атомных «чертовых колес», созданных с помощью лазерного света, может проверить предсказания теории относительности в квантовом масштабе.

Крошечные «чертовы колеса», сделанные из легких и чрезвычайно холодных частиц, могут позволить исследователям проверить один из аспектов теории относительности Альберта Эйнштейна в беспрецедентно малых масштабах.

Теории специальной и общей теории относительности, сформулированные Эйнштейном в начале 1900-х годов, изменили наше понимание времени, открыв, что движущиеся часы могут идти медленнее, чем неподвижные. Если вы двигаетесь достаточно быстро или достаточно ускоряетесь, измеряемое вами время замедляется; то же самое может произойти, если вы движетесь по окружности. Эти явления наблюдались для относительно больших объектов, но Василис Лембессис из Университета короля Сауда в Саудовской Аравии и его коллеги разработали способ проверить их и в очень малых масштабах.

Чтобы изучить вращение и время для самых маленьких объектов, которые мы можем контролировать – атомов и молекул – они обратились к ультрахолодному миру, всего на несколько миллионных долей градуса выше самой низкой возможной температуры. Здесь квантовыми свойствами, а также движением атомов и молекул можно управлять с чрезвычайной точностью с помощью лазерных лучей и электромагнитных полей. Более того, в 2007 году Лембессис и несколько его коллег разработали метод настройки лазерных лучей таким образом, чтобы они удерживали атомы в цилиндре и заставляли их вращаться внутри него. Они назвали это «оптическим колесом обозрения», и, по словам Лембессиса, новые расчёты его группы показывают, что этот метод можно использовать для наблюдения релятивистского замедления времени, измеряемого ультрахолодными частицами.

Их расчёты показывают, что молекулы азота могли бы быть хорошими кандидатами для проверки вращательного замедления времени в квантовом мире. Рассматривая движение электронов внутри них как тиканье внутренних часов, исследователи смогли обнаружить смещение частоты тиканья, составляющее всего одну часть на 10 квадриллиона.

В то же время, по словам Лембессиса, эксперименты с оптическими колёсами обозрения до сих пор были относительно редки. Поэтому новое предложение открывает возможность проверки теории относительности в неисследованной области, где могут возникнуть новые или неожиданные эффекты. Например, квантовая природа ультрахолодных частиц может поставить под сомнение «часовую гипотезу», которая определяет, насколько ускорение часов изменяет ход часов.

«Важно проверять и подтверждать наше понимание физических явлений в природе. Именно когда мы сталкиваемся с чем-то неожиданным, нам необходимо пересмотреть наше понимание и глубже понять Вселенную. Эта работа предлагает альтернативный способ проверки релятивистских систем, обладающий явными преимуществами по сравнению с механическими установками», — говорит Патрик Эберг из Университета Хериот-Ватт в Великобритании.

Например, хотя релятивистские эффекты, такие как замедление времени, обычно требуют очень быстрого движения, использование оптического колеса обозрения сделало бы их доступными без необходимости в непрактично больших скоростях, говорит Эйдан Арнольд из Университета Стратклайда в Великобритании. «Учитывая невероятную точность атомных часов… изменение времени, „чувствуемое“ атомами колеса обозрения, должно быть заметным. Кроме того, поскольку ускоренные атомы не перемещаются слишком далеко, времени для измерения этого изменения будет предостаточно», — говорит он.

По словам Лембессиса, изменение фокусировки лазерных лучей также может управлять размером колеса обозрения, которое будет ограничивать частицы, тем самым проверяя эффект замедления времени при различных скоростях вращения. Но возникнут и технические сложности, например, необходимо будет убедиться, что атомы или молекулы не нагреваются и не выходят из-под контроля при вращении.

Физический обзор A DOI: 10.1103/5m6c-hfqt

Источник: www.newscientist.com