У квантовых частиц нашли «чувства» к гравитации

14 января 2022
Фото аватара
14.01.2022
20889
2 минуты на чтение
1

Если вы суеверны, то черная кошка, перешедшая вам дорогу – плохая примета, даже если вы держитесь от нее подальше. Подобным образом квантовые частицы могут «чувствовать» влияние магнитных полей, с которыми они не контактируют. Ученые продемонстрировали, что этот квантовый эффект относится не только к магнитным полям, но также и к гравитации. И здесь нет ничего общего с суеверием.

Обычно, чтобы частица подверглась воздействию магнитного поля, она должна пройти через него. В 1959 году физики Якир Ааронов и Дэвид Бом предсказали, что при определенных условиях это правило не работает. Магнитное поле, содержащееся в цилиндрической емкости, может воздействовать на частицы – например, электроны, — которые не попадают в цилиндр. В этом случае у электронов нет четкого расположения, они находятся в суперпозиции – это квантовое состояние, описываемое вероятностью появления частицы в двух разных местах. Каждая частица одновременно движется по двум траекториям вокруг магнитного цилиндра. Несмотря на то, что магнитное поле не соприкасается с электронами и, следовательно, не оказывает на них никакой силы, оно изменяет картину того, где окажутся частицы в конце своего пути, как было доказано многочисленными экспериментами.

В новом же эксперименте, не менее причудливая физика коснулась гравитационных полей. Ученые опубликовали об этом статью в журнале Science.

Марк Касевич и другие ученые запустили атомы рубидия в вакуумную камеру высотой 10 метров, при помощи лазеров привели их в состояние суперпозиции, отслеживая два разных пути, и наблюдали за тем, как атомы падали. Примечательно, что частицы находились не в зоне, свободной от гравитационного поля. Напротив, эксперимент был разработан для того, чтобы исследователи могли отсеять эффекты гравитационных сил и наблюдать чистый эффект Ааронова – Бома.

Исследование не только показывает известный физический эффект в новом свете, но и демонстрирует потенциал для изучения тонких эффектов гравитационных систем. Например, исследователи планируют использовать этот тип техники для более точного вычисления гравитационной постоянной Ньютона (G), описывающей силу гравитации и наименее точно известной сегодня по сравнению с другими фундаментальными постоянными природы.

Ключ к расшифровке результатов эксперимента – феномен интерференции. В квантовой физике атомы и другие частицы ведут себя, как волны, способные увеличиваться или уменьшаться подобно двум морским валам, сливающимся в волну побольше. В конце полета атомов ученые рекомбинировали два их пути так, чтобы их волны интерферировали. Затем они измерили долетевшие атомы. Места прибытия очень чувствительны к стороннему воздействию, изменяющему расположение пиков и впадин волн – так называемый фазовый сдвиг.

В верху вакуумной камеры исследователи поместили кусок вольфрама массой 1,25 кг. Чтобы изолировать эффект Ааронова – Бома, исследователи провели один и тот же эксперимент с массой и без нее для двух разных наборов атомов, один из которых пролетал вблизи массы, а другой – ниже нее. Каждый из этих наборов был введен в состояние суперпозиций, причем один путь проходил ближе к массе, чем другой, на расстоянии около 25 сантиметров. Другие наборы атомов, суперпозиции которых были разбиты на меньшие расстояния, служили дополнением. Сравнение того, как разные наборы атомов интерферировали – как с вольфрамовой массой, так и без нее, – помогло выделить фазовый сдвиг, произошедший не из-за гравитации. Это изменение происходило из-за замедления времени – одной из особенностей общей теории гравитации Эйнштейна, в следствие которой время протекает медленнее вблизи массивного объекта. Таким образом, подобно тому, как частицы «чувствуют» электромагнитное поле, не соприкасаясь с ним, они «чувствуют» и гравитацию.

Две теории, лежащие в основе этого эксперимента – общая теория относительности и квантовая механика – не очень хорошо ладят друг с другом. На данный момент ученые не знают, каким образом совместить их, чтобы достоверно описать реальность. Физик Гульельмо Тино из Университета Флоренции, не участвовавший в новом исследовании, считает, что «зондирование гравитации при помощи квантового датчика — одна из наиболее важных задач на данный момент».

Статьи

Нереальная жесть: какой получилась книга Клиффа Блезински о самом себе
0
1606
Нереальная жесть: какой получилась книга Клиффа Блезински о самом себе

Рассказываем об очередной автобиографической книге — на этот раз от создателя Unreal и Gears of War

Р. Дж. Баркер «След костяных кораблей». Спустить паруса!
0
3336
Р. Дж. Баркер «След костяных кораблей». Спустить паруса!

Финальный том морского фэнтези

Какие фильмы смотреть в апреле 2024 в кино? Кирдык Америке, взрослая Алиса и французская романтика 9
0
43432
Какие фильмы смотреть в апреле 2024 в кино? Кирдык Америке, взрослая Алиса и французская романтика

В апреле российский прокат богат на интересные инди-фильмы.

«Задача трёх тел»: какой получилась западная экранизация китайского романа 3
0
53650
«Задача трёх тел»: какой вышла западная экранизация китайского романа

Неровная, но интересная попытка экранизировать сверхпопулярный роман китайского фантаста

Мир фантастики. Спецвыпуск № 14 (2024). Фантастическая музыка 2
0
129833
Мир фантастики. Спецвыпуск № 14 (2024). Фантастическая музыка

О том, как музыканты передают образы Средиземья, будущего или стимпанка, и об историях, которые они рассказывают в своих песнях.

Сериал Halo, второй сезон: идеальная посредственность 4
0
103147
Сериал Halo, второй сезон: идеальная посредственность

На каждую интересную сюжетную находку найдётся своя банальность.

Mass Effect 5: чего мы ждём? Намёки, загадки и надежды фанатов 2
0
148160
Новый Mass Effect: чего мы ждём? Намёки, загадки и надежды фанатов

Будущее Млечного Пути, каноничный финал и возвращение Капитана

Настольная игра «Побег из Вистара»: тактика и стратегия гениальных лабораторных крыс 1
0
221814
Настольная игра «Побег из Вистара»: тактика и стратегия гениальных лабораторных крыс

Атмосферный еврогейм о построении колонии грызунов

Спецпроекты

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: