Новое открытие в квантовой физике может открыть доступ к межзвездным путешествиям

Атомные часы теряют точность всего на 1 секунду за период в 10 миллионов лет. Они используются по-разному, в том числе и для GPS-навигации. Ученые нашли способ обойти законы квантовой физики и создать значительно более стабильные и точные атомные часы. В будущем такое устройство может позволить точно прокладывать маршрут в межзвездном путешествии. Исследования опубликованы в журналах Nature и Science Advances, пишет Popular Mechanics.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

GPS-навигаторы помогают нам точно определить местоположение и прокладывать маршруты. Эти устройства получают сигналы со спутников, которые находятся на высоте более 19 000 километров над поверхностью Земли. Внутри каждого из этих спутников находятся атомные часы.

В отличие от обычных часов атомные часы отсчитывают время с исключительной точностью, отслеживая движение электронов внутри атомов. Они измеряют частоты электромагнитного излучения, необходимые для того, чтобы электрон совершил переход на новый уровень энергии или колебался внутри атомов таких элементов, как рубидий или стронций. Атомные часы теряют в точности всего 1 секунду за период в 10 миллионов лет.

Будущие атомные часы могут стать не только мощными инструментами для измерения времени и навигации в межзвездном пространстве, но и для исследования фундаментальных физических явлений. Но, несмотря на все их сильные стороны, ученые пока не удовлетворены возможностями атомных часов. Ученые работают над созданием атомных часов, которые будут одновременно более точными и более портативными. Для достижения этих целей они используют методы квантовой механики, описывающей поведение атомов и субатомных частиц.

В двух исследованиях физики изучали квантовые методы, которые могли бы повысить точность атомных часов. Авторы первого исследования использовали методы квантовой механики для повышения стабильности атомных часов, называемых оптическими атомными часами. В этих часах атомы иттербия колеблются с еще более высокой частотой, чем в стандартных атомных часах, что позволяет измерять интервалы времени длиной до 100 триллионных долей секунды.

Но их точность делает их восприимчивыми к квантовым искажениям, которые затрудняют измерение колебаний атомов. Можно представить это как столкновение с квантовым пределом. Эта идея связана с принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что существует предел тому, насколько хорошо можно измерить квантовую систему, в частности, какие физические свойства частицы можно измерить. Если точно определить одно свойство, то другое свойство будет определено менее точно.

Физики продемонстрировали, что введение атомов иттербия в состояние квантовой запутанности внутри атомных часов с помощью лазерного излучения позволяет удвоить их точность.

По словам ученых, благодаря квантовой запутанности можно создать будущие атомные часы, которые будут работать лучше. При квантовой запутанности частицы становятся связанными друг с другом, даже находясь на большом расстоянии друг от друга, так что измерение свойства одной частицы мгновенно меняет свойство другой.

Авторы второго исследования применили другой подход к проблеме преодоления квантового предела. Их работа немного переворачивает правила квантовой механики с ног на голову. Физики продемонстрировали способ точного одновременного измерения положения и импульса квантовой системы, сохраняя при этом принцип неопределенности Гейзенберга.

Это возможно благодаря тому, что ученые фокусируются на измерении мельчайших изменений с высокой чувствительностью, игнорируя более обширную информацию о системе. Физики сравнивают это с попыткой прочитать показания аналоговых часов, у которых есть только минутная стрелка: можно очень точно узнать, какая сейчас минута, но информация о часе будет потеряна. Эта работа повышает точность атомных часов.

Хотя запуск космического GPS для межзвездных путешествий пока еще далек от реализации, новые типы атомных часов могут сыграть важную роль в этом процессе, считают физики.

Независимо от того, находитесь ли вы на Земле или в космосе, точное измерение времени необходимо для навигации. Атомные часы, которые отличаются исключительной точностью и стабильностью, позволят точно рассчитать текущее местоположение космического корабля и даже обеспечить автономную навигацию, говорят ученые.

Как уже писал Фокус, физики выяснили, что черные дыры могут соединять длинные туннели в пространстве-времени. Ученые считают, что у черных дыр существует квантовая связь.

Также Фокус писал о том, что ускоренное расширение Вселенной остановилось и может произойти Большой взрыв наоборот. Новое исследование предполагает, что расширение Вселенной начало замедляться, а не ускоряться с постоянно возрастающей скоростью, как считалось ранее.