13.03.2025. - Раскрытие тайн теории относительности Эйнштейна

Раскрытие тайн теории относительности Эйнштейна

Вот уже более ста лет физики бьются над одним из самых глубоких вопросов в науке: как правила квантовой механики, управляющие мельчайшими частицами, согласуются с законами общей теории относительности, которые описывают Вселенную в самых больших масштабах?

Оптические решетчатые часы, одно из самых точных устройств для измерения времени, становятся мощным инструментом, используемым для решения этой сложной задачи. В оптических решетчатых часах атомы заключены в "решетчатый" потенциал, формируемый лазерными лучами, и управляются с помощью точного контроля квантовой когерентности и взаимодействий, определяемых квантовой механикой.

В то же время, согласно законам общей теории относительности Эйнштейна, в более сильных гравитационных полях время течет медленнее. Этот эффект, известный как гравитационное красное смещение, приводит к незначительному сдвигу уровней внутренней энергии атомов в зависимости от их положения в гравитационных полях, вызывая изменение их "тиканья" — колебаний, которые определяют время в оптических решетчатых часах.

Измеряя крошечные изменения частоты колебаний в этих сверхточных часах, исследователи могут исследовать влияние теории относительности Эйнштейна на квантовые системы.

В то время как релятивистские эффекты хорошо изучены для отдельных атомов, их роль в квантовых системах из многих тел, где атомы могут взаимодействовать и запутываться, остается в значительной степени неизученной.

Сделав шаг вперед в этом направлении, исследователи под руководством стипендиатов JILA и NIST, а также профессоров физики Университета Колорадо в Боулдере Джун Йе и Аны Марии Рей в сотрудничестве с учеными из Лейбницевского университета в Ганновере, Австрийской академии наук и Университета Инсбрука предложили практические протоколы для изучения эффектов теория относительности, такая как гравитационное красное смещение, о квантовой запутанности и взаимодействиях в оптических атомных часах.

Их работа показала, что взаимодействие между гравитационными эффектами и квантовыми взаимодействиями может привести к неожиданным явлениям, таким как атомная синхронизация и квантовая запутанность частиц.

Результаты этого исследования опубликованы в Physical Review Letters.

"Одним из наших ключевых открытий является то, что взаимодействия между атомами могут помочь связать их воедино, так что теперь они ведут себя как единая система, а не тикают независимо друг от друга из-за гравитационного красного смещения", - объясняет доктор Анджун Чу, бывший аспирант JILA, а ныне научный сотрудник Чикагского университета и автор статьи.первый автор.

"Это действительно здорово, потому что это напрямую показывает взаимосвязь между квантовыми взаимодействиями и гравитационными эффектами".

"Взаимосвязь между общей теорией относительности и квантовой запутанностью озадачивала физиков в течение многих лет", - добавляет Рей.

"Сложность заключается в том, что поправки на GR в большинстве настольных экспериментов незначительны, что делает их чрезвычайно трудными для обнаружения. Однако атомные часы в настоящее время достигают беспрецедентной точности, что позволяет измерять эти неуловимые эффекты.

"Поскольку эти часы одновременно опрашивают множество атомов, они предоставляют уникальную платформу для изучения пересечения ОТО и квантовой физики многих тел. В этой работе мы исследовали систему, в которой атомы взаимодействуют путем обмена фотонами внутри оптического резонатора.

"Интересно, что мы обнаружили, что, хотя отдельные взаимодействия сами по себе не могут оказать прямого влияния на тиканье часов, их коллективное влияние на красное смещение может значительно изменить динамику и даже создать запутанность между атомами, что очень интересно".

Отличительные гравитационные эффекты

Чтобы исследовать эту проблему, команда разработала инновационные протоколы для наблюдения за тем, как гравитационное красное смещение влияет на квантовое поведение.

Первая задача, на которой они сосредоточились, заключалась в том, чтобы однозначно отличить гравитационные эффекты в оптических решетчатых часах от других источников шума, вносящих свой вклад в крошечные сдвиги частоты.

Они использовали метод, называемый протоколом обработки, который предполагает манипулирование внутренними состояниями частиц с помощью лазерного излучения. Хотя протоколы наложения повязок являются стандартным инструментом в квантовой оптике, это один из первых примеров использования протокола для точной настройки гравитационных эффектов.

Перестраиваемость основана на механизме, известном как эквивалентность массы и энергии (из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2), что означает, что изменения внутренней энергии частицы могут незначительно изменять ее массу. Исходя из этого механизма, атом в возбужденном состоянии имеет немного большую массу по сравнению с тем же атомом в основном состоянии.

Разница масс в гравитационной потенциальной энергии эквивалентна гравитационному красному смещению. Протокол обработки обеспечивает гибкий способ настройки разницы масс и, следовательно, гравитационного красного смещения, управляя частицами таким образом, чтобы они оставались в суперпозиции двух внутренних энергетических состояний.

Вместо того, чтобы находиться строго в основном или возбужденном состоянии, частицы могут быть настроены таким образом, чтобы занимать оба состояния одновременно с непрерывным изменением вероятности их нахождения между этими двумя уровнями. Этот метод обеспечивает беспрецедентный контроль внутренних состояний, позволяя исследователям точно настраивать величину гравитационных эффектов.

Таким образом, исследователи смогли отличить подлинные эффекты гравитационного красного смещения от других воздействий, таких как градиенты магнитного поля, внутри системы.

"Изменяя суперпозиции внутренних уровней частиц, к которым вы обращаетесь, вы можете изменить степень проявления гравитационных эффектов", - отмечает аспирантка JILA Майя Миклош. "Это действительно умный способ исследовать эквивалентность массы и энергии на квантовом уровне".

Обнаружив синхронизацию и запутанность

После того, как был предложен рецепт для определения подлинных гравитационных эффектов, исследователи исследовали гравитационные проявления в квантовой динамике многих тел. Они использовали фотонно-опосредованные взаимодействия, возникающие при размещении атомов в оптическом резонаторе.

Если один атом находится в возбужденном состоянии, он может вернуться в основное состояние, испуская фотон в резонатор. Этот фотон не обязательно покидает систему, но может быть поглощен другим атомом в основном состоянии, возбуждая его в свою очередь.

Такой обмен энергией, известный как фотонно—опосредованные взаимодействия, является ключом к взаимодействию частиц, даже если они физически не могут соприкасаться друг с другом.

Такие типы квантовых взаимодействий могут конкурировать с гравитационными воздействиями на отдельные атомы внутри полости. Как правило, частицы, расположенные на разных "высотах" в пределах гравитационного поля, испытывают небольшие различия в том, как они "тикают" из-за гравитационного красного смещения. Без взаимодействия между частицами небольшая разница в частотах колебаний приведет к тому, что со временем они перестанут синхронизироваться.

Однако, когда появились взаимодействия, опосредованные фотонами, произошло нечто удивительное: частицы начали синхронизироваться, эффективно "фиксируя" свое тиканье, несмотря на различия в частотах колебаний, вызванные гравитацией.

"Это завораживает", - говорит Чу. "Вы можете представить себе каждую частицу как ее собственные маленькие часы. Но когда они взаимодействуют, они начинают тикать в унисон, даже несмотря на то, что гравитация пытается разделить их время".

Эта синхронизация продемонстрировала захватывающее взаимодействие между гравитационными эффектами и квантовыми взаимодействиями, где последние могут преодолеть естественную десинхронизацию, вызванную гравитационным красным смещением.

Эта синхронизация была не просто странностью — она также привела к созданию квантовой запутанности, феномена, при котором частицы становятся взаимосвязанными, причем состояние одной из них мгновенно влияет на другую.

Примечательно, что исследователи обнаружили, что скорость синхронизации также может служить косвенным показателем запутанности, позволяя получить представление о количественной оценке взаимодействия между двумя эффектами.

"Синхронизация - это первое наблюдаемое нами явление, которое раскрывает конкуренцию между гравитационным красным смещением и квантовыми взаимодействиями", - добавляет исследователь из JILA, доктор Кюнгтэ Ким. "Это дает представление о том, как эти две силы уравновешивают друг друга".

Хотя это исследование выявило первоначальные взаимодействия между этими двумя областями физики, разработанные протоколы могли бы помочь усовершенствовать экспериментальные методы, сделав их еще более точными — от квантовых вычислений до фундаментальных физических экспериментов.

"Обнаружение этой запутанности, обусловленной GR, было бы новаторским достижением, и наши теоретические расчеты показывают, что это находится в пределах досягаемости текущих или ближайших экспериментов", - говорит Рей.

Будущие эксперименты могли бы исследовать, как частицы ведут себя в различных условиях или как взаимодействия могут усиливать гравитационные эффекты, приближая нас к объединению двух великих столпов современной физики.

Источник