Нове відкриття у квантовій фізиці може відкрити доступ до міжзоряних подорожей

Атомний годинник втрачає точність лише на 1 секунду за період у 10 мільйонів років. Його використовують по-різному, зокрема й для GPS-навігації. Учені знайшли спосіб обійти закони квантової фізики та створити значно стабільніший і точніший атомний годинник. У майбутньому такий пристрій може дозволити точно прокладати маршрут у міжзоряній подорожі. Дослідження опубліковані в журналах Nature і Science Advances, пише Popular Mechanics.

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

GPS-навігатори допомагають нам точно визначити місце розташування і прокладати маршрути. Ці пристрої отримують сигнали із супутників, які розташовані на висоті понад 19 000 кілометрів над поверхнею Землі. Усередині кожного з цих супутників знаходиться атомний годинник.

На відміну від звичайного годинника, атомний годинник відраховує час з винятковою точністю, відстежуючи рух електронів усередині атомів. Він вимірює частоти електромагнітного випромінювання, необхідні для того, щоб електрон здійснив перехід на новий рівень енергії або коливався всередині атомів таких елементів, як рубідій або стронцій. Атомний годинник втрачає в точності всього 1 секунду за період у 10 мільйонів років.

Майбутній атомний годинник може стати не лише потужними інструментами для вимірювання часу та навігації в міжзоряному просторі, а й для дослідження фундаментальних фізичних явищ. Але, незважаючи на всі їхні сильні сторони, вчені поки що не задоволені можливостями атомного годинника. Науковці працюють над створенням атомного годинника, який буде одночасно більш точним і більш портативним. Для досягнення цих цілей вони використовують методи квантової механіки, що описує поведінку атомів і субатомних частинок.

У двох дослідженнях фізики вивчали квантові методи, які могли б підвищити точність атомного годинника. Автори першого дослідження використовували методи квантової механіки для підвищення стабільності атомного годинника, званого оптичним атомним годинником. У цьому годиннику атоми ітербію коливаються зі ще вищою частотою, ніж у стандартному атомному годиннику, що дає змогу вимірювати інтервали часу довжиною до 100 трильйонних часток секунди.

Але їхня точність робить їх сприйнятливими до квантових спотворень, які ускладнюють вимірювання коливань атомів. Можна уявити це як зіткнення з квантовою межею. Ця ідея пов'язана з принципом невизначеності Гейзенберга, який свідчить, що існує межа тому, наскільки добре можна виміряти квантову систему, зокрема, які фізичні властивості частинки можна виміряти. Якщо точно визначити одну властивість, то іншу властивість буде визначено менш точно.

Фізики продемонстрували, що введення атомів ітербію в стан квантової заплутаності всередині атомного годинника за допомогою лазерного випромінювання дає змогу подвоїти його точність.

За словами вчених, завдяки квантовій заплутаності можна створити майбутній атомний годинник, який працюватиме краще. За квантової заплутаності частинки стають пов'язаними одна з одною, навіть перебуваючи на великій відстані одна від одної, тож вимірювання властивості однієї частинки миттєво змінює властивість іншої.

Автори другого дослідження застосували інший підхід до проблеми подолання квантової межі. Їхня робота трохи перевертає правила квантової механіки з ніг на голову. Фізики продемонстрували спосіб точного одночасного вимірювання положення та імпульсу квантової системи, зберігаючи при цьому принцип невизначеності Гейзенберга.

Це можливо завдяки тому, що вчені фокусуються на вимірюванні найдрібніших змін з високою чутливістю, ігноруючи ширшу інформацію про систему. Фізики порівнюють це зі спробою прочитати показання аналогового годинника, у якого є тільки хвилинна стрілка: можна дуже точно дізнатися, яка зараз хвилина, але інформація про годину буде втрачена. Ця робота підвищує точність атомного годинника.

Хоча запуск космічного GPS для міжзоряних подорожей поки ще далекий від реалізації, нові типи атомних годинників можуть зіграти важливу роль у цьому процесі, вважають фізики.

Незалежно від того, перебуваєте ви на Землі чи в космосі, точне вимірювання часу необхідне для навігації. Атомний годинник, який вирізняється винятковою точністю і стабільністю, дасть змогу точно розрахувати поточне місце розташування космічного корабля і навіть забезпечити автономну навігацію, кажуть учені.

Як уже писав Фокус, фізики з'ясували, що чорні діри можуть з'єднувати довгі тунелі в просторі-часі. Вчені вважають, що у чорних дір існує квантовий зв'язок.

Також Фокус писав про те, що прискорене розширення Всесвіту зупинилося і може статися Великий вибух навпаки. Нове дослідження припускає, що розширення Всесвіту почало сповільнюватися, а не прискорюватися з постійно зростаючою швидкістю, як вважалося раніше.