Ультраколдные часы могут показать, как квантовая физика изменяет время

Как выглядит отрывок времени для действительно квантового объекта? Лучшие часы в мире могут скоро ответить на этот вопрос, проверив, как время может растягиваться и переключаться в квантовом сфере и позволить нам исследовать неисследованные области физики.

Идея, в которой время может измениться или расширить, возникает в особой теории относительности Альберта Эйнштейна. Эйнштейн показал, что в качестве объекта приближается скорость света, время, по -видимому, работает медленнее, чем для стационарного наблюдателя. Он расширил эту идею своей общей теорией относительности, показывая гравитационное поле, имеет тот же эффект от времени. Игорь Пиковски В Технологическом институте Стивенса в Нью -Джерси и его коллегах хотели понять, может ли что -то подобное произойти в микроскопический квантовый мир, что измеряется ультра2 часами, изготовленными из ионов.

«Любой эксперимент, который у нас есть на сегодняшний день, всегда чувствует что -то вроде классического времени, времени, которое не имеет никакого отношения к квантовой механике», – говорит Пиковски. «Мы поняли, что существует режим, в котором с ионными часами это описание просто терпит неудачу», – говорит он.

Такие часы сделаны из тысяч ионов, которые охлаждаются до температуры, близких к абсолютному нулю, поражая лазеры. При этих экстремальных температурах квантовые состояния ионов и электронов внутри них могут очень точно контролировать с помощью электромагнитных сил. Соответственно, клещи ионных часов устанавливаются этими электронами, неоднократно колеблющиеся между двумя конкретными квантовыми состояниями.

Поскольку их операция продиктована законами квантовой механики, эти часы были идеальным условием для Пиковски и его коллег, чтобы изучить, как релятивистские и квантовые эффекты могут смешиваться, чтобы влиять на клещей часов. Пиковски говорит, что исследователи теперь определили несколько случаев, когда это должно произойти.

Один из примеров проистекает из того, что квантовая физика ненавидит ничто. Вместо того, чтобы иметь возможность стоять абсолютно неподвижным и замороженным, даже при чрезвычайно низких температурах кванты должны колебаться, случайным образом набирать или терять энергию. Расчеты команды показали, что эти колебания могут расширить измерение времени. Эффект был бы очень маленьким, но очень вероятно, наблюдаемый с существующими экспериментами по ионным часам.

Исследователи также математически смоделировали, что произойдет, если иона часов «сжимается», чтобы создать «суперпозицию» из нескольких квантовых состояний. Они обнаружили, что тикание часов, определяемые электронами в ионах, станут неразрывно связанными с движением самого иона – ионы, а состояния электронов станут квантовыми запутанными. «Обычно в экспериментах вам нужно разыгрывать трюки, чтобы разработать запутанность. Захватывающая вещь здесь заключается в том, что это происходит, хотите ли вы этого или нет», – говорит член команды Кристиан Саннер в Университете штата Колорадо.

Пиковский говорит, что это имеет интуитивно понятный смысл, что квантовый объект в суперпозиции состояний не может испытать только одно чувство времени, но эффект никогда не наблюдался в эксперименте. Это должно быть возможно в ближайшем будущем, говорит он.

Член команды Габриэль Сорси В технологическом институте Стивенса говорится, что следующий шаг – добавить еще один важный ингредиент современной физики – гравитация. Ультраклольдные часы уже могут обнаружить расширение времени из -за незначительных изменений в силе гравитационного притяжения Земли, например, при повышении даже на несколько миллиметров, но именно то, как этот эффект будет смешиваться с неотъемлемой квантовой часов, является открытым вопросом.

«Я думаю, что это на самом деле вполне разумно делать с технологией, которую мы имеем в настоящее время», – говорит Дэвид Хьюм в Национальном институте стандартов и технологий США в Колорадо. Он говорит, что самой большой проблемой будет предотвращение крошечных нарушений из окружающей среды часов, одолевая эффекты, на которые намекают команда Пиковски. В случае успеха такие эксперименты позволили бы исследователям исследовать физические явления, которых они никогда не могли раньше, хотя квантовая теория и теория особой относительности представляют собой два столпа, которые давно удерживают большую часть современной физики, говорит он.

«Подобные эксперименты являются захватывающими, потому что они заставляют эти теории противостоять друг другу в домене, где есть шанс, что мы сможем узнать что -то новое», – говорит Александр Смит в колледже Святого Ансельма в Нью -Гемпшире.