Ультрахолодний годинник може показати, як квантова фізика змінює час

Який вигляд має час для квантового об'єкта? Іонний годинник незабаром зможе відповісти на це запитання. За його допомогою фізики збираються перевірити, як час може розтягуватися і сповільнюватися в квантовому світі. Це дасть змогу розкрити незвідані галузі фізики. Дослідження опубліковано на сервері препринтів arXiv, пише New Scientist.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Уперше ідею про те, що час може сповільнюватися, запропонував у своїй спеціальній теорії відносності Альберт Ейнштейн. Він показав, що в міру наближення швидкості об'єкта до швидкості світла час для нього йде повільніше, ніж для нерухомого спостерігача. Також Ейнштейн показав, що гравітаційне поле також змінює час. Автори дослідження хотіли зрозуміти, чи може щось подібне відбуватися з часом у квантовому світі, якщо вимірювати його за допомогою ультрахолодного годинника, зробленого з іонів.

За словами фізиків, минулі експерименти завжди показували щось схоже на класичний час, який не має жодного стосунку до квантової механіки. Фізики зрозуміли, що існує режим, у якому для іонного годинника цей опис просто не працює.

Такий годинник складається з тисяч іонів, які охолоджуються лазерами до температур, близьких до абсолютного нуля. Іони — це електрично заряджені частинки, які утворюються з атомів під час втрати або приєднання електронів.

За дуже низької температури квантові стани іонів та електронів в іонному годиннику можна дуже точно контролювати за допомогою електромагнітних сил. Відповідно, хід іонного годинника задається електронами, які безперервно коливаються між двома квантовими станами.

Оскільки робота іонного годинника визначається законами квантової механіки, він ідеально підходить для вивчення того, як релятивістські та квантові ефекти можуть змішуватися, впливаючи на хід годинника. Фізики вже виявили кілька випадків, коли це має відбуватися.

Замість того, щоб залишатися абсолютно нерухомими навіть за екстремально низьких температур, квантові об'єкти повинні коливатися, випадковим чином набуваючи або втрачаючи енергію. Розрахунки фізиків показують, що ці коливання можуть уповільнювати плин часу. Цей ефект можна побачити під час експериментів з іонним годинником.

Вчені змоделювали, що станеться, якщо зробити так, щоб іони годинника перебували в суперпозиції, тобто перебували одночасно в кількох квантових станах.

Фізики виявили, що хід годинника, який визначається електронами в іонах, стане нерозривно пов'язаним з рухом самого іона. Таким чином іони та електрони перебуватимуть у стані квантової заплутаності.

За словами авторів дослідження, квантовий об'єкт у суперпозиції не може відчувати тільки одне відчуття часу, але цей ефект ніколи не спостерігався під час експериментів. Фізики вважають, що має стати можливим у найближчому майбутньому.

Також для подальших експериментів учені хочуть використати ще один найважливіший компонент фізики — гравітацію. Ультрахолодний іонний годинник може реєструвати уповільнення часу, спричинене найдрібнішими змінами сили гравітації Землі. Але як саме цей ефект поєднуватиметься з притаманною годиннику квантовістю, залишається відкритим питанням.

За словами фізиків, у разі успіху такі експерименти дадуть змогу вивчити фізичні явища, які вчені не могли досліджувати раніше. І це незважаючи на те, що квантова теорія та спеціальна теорія відносності є основою, на якій тривалий час тримається більша частина сучасної фізики.

Як уже писав Фокус, нова теорія припускає, що темна матерія і темна енергія можуть взагалі не існувати у Всесвіті. Кілька десятиліть астрономи вважають, що у Всесвіті існує два загадкових компоненти: темна матерія і темна енергія. Перша потрібна для того, щоб галактики існували як єдине ціле, а тому створює додаткову гравітацію. Друга необхідна для пояснення прискореного розширення Всесвіту.