Ένα εξαιρετικά ακριβές ρολόι συνδέει τον κβαντικό κόσμο με τη βαρύτητα

Το διαβόητο δίδυμο παράδοξο στέλνει την αστροναύτη Αλίκη σε ένα απίστευτα γρήγορο διαστημικό ταξίδι. Όταν επιστρέφει για να ξανασμίξει με τον δίδυμό της, τον Μπομπ, διαπιστώνει ότι έχει γεράσει πολύ πιο γρήγορα από εκείνη. Είναι ένα γνωστό αλλά περίπλοκο αποτέλεσμα:ο χρόνος επιβραδύνεται αν προχωράτε γρήγορα.

Η βαρύτητα κάνει το ίδιο πράγμα. Η Γη - ή οποιοδήποτε τεράστιο σώμα - στρεβλώνει τον χωροχρόνο με τρόπο που επιβραδύνει τον χρόνο, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Αν η Αλίκη ζούσε τη ζωή της στο επίπεδο της θάλασσας και ο Μπομπ στην κορυφή του Έβερεστ, όπου η βαρυτική έλξη της Γης είναι ελαφρώς ασθενέστερη, θα γερνούσε και πάλι πιο γρήγορα. Η διαφορά στη Γη είναι μέτρια αλλά πραγματική — έχει μετρηθεί τοποθετώντας ατομικά ρολόγια σε βουνοκορφές και ορόφους κοιλάδων και μετρώντας τη διαφορά μεταξύ των δύο.

Οι φυσικοί έχουν πλέον καταφέρει να μετρήσουν αυτή τη διαφορά στο χιλιοστό. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε νωρίτερα αυτόν τον μήνα στον επιστημονικό διακομιστή προεκτύπωσης arxiv.org, ερευνητές από το εργαστήριο του Jun Ye, ενός φυσικού στο JILA στο Boulder του Κολοράντο, μέτρησαν τη διαφορά στη ροή του χρόνου μεταξύ της κορυφής και του κάτω μέρους ενός χιλιοστού. -ψηλό σύννεφο ατόμων.

Το έργο είναι ένα βήμα προς τη μελέτη της φυσικής στο σημείο τομής της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής, δύο θεωρίες που είναι περίφημα ασύμβατες. Το νέο ρολόι παίρνει ένα θεμελιωδώς κβαντικό σύστημα - ένα ατομικό ρολόι - και το συνδυάζει με την έλξη της βαρύτητας.

Στο πείραμα, η ομάδα του Ye's χρησιμοποίησε ένα ρολόι με οπτικό πλέγμα, ένα σύννεφο 100.000 ατόμων στροντίου που μπορεί να γαργαληθεί από ένα λέιζερ. Εάν η συχνότητα του λέιζερ είναι ακριβώς σωστή, τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από κάθε άτομο θα διεγείρονται σε μια υψηλότερη, πιο ενεργητική τροχιά. Επειδή μόνο ένα μικρό εύρος συχνοτήτων λέιζερ παρακινεί τα ηλεκτρόνια να κινηθούν, η μέτρηση αυτής της συχνότητας παρέχει μια εξαιρετικά ακριβή μέτρηση του χρόνου. Είναι σαν ένα κβαντικό ρολόι παππού, όπου το τικ προέρχεται από τις ταλαντώσεις του φωτός λέιζερ και όχι από την ταλάντευση ενός εκκρεμούς.

Οι ερευνητές χώρισαν το ρολόι τους στα δύο - κοίταξαν το σύννεφο τους σε μια κάμερα και μετά σχεδίασαν δύο φανταστικά κουτιά γύρω από το πάνω και το κάτω μισό. Στη συνέχεια, συνέκριναν τη συχνότητα παλμών του επάνω και του κάτω μισού, διαπιστώνοντας ότι ο χρόνος που βιώνουν τα άτομα στην κορυφή του νέφους είναι 0,000000000000000001% μικρότερος από τον χρόνο που βιώνουν τα άτομα στο κάτω μέρος.

Ο συγκεκριμένος τρόπος που μέτρησαν τη μετατόπιση - συγκρίνοντας δύο μέρη του ίδιου νέφους - τους επέτρεψε να ακυρώσουν πολύ θόρυβο που ήταν κοινός και στα δύο μέρη. Είναι σαν να μετράς ένα ιστιοφόρο σε θαλασσοταραχή. Ακόμα κι αν πέφτει απρόβλεπτα πάνω-κάτω, η απόσταση μεταξύ καρίνας και ιστού θα παραμένει πάντα σταθερή. Ενώ ένα ρολόι που αποτελείται από ένα σύννεφο ατόμων μπορεί να παρασύρεται λόγω πολλών πραγμάτων - ηλεκτρικά πεδία, μαγνητικά πεδία, το ίδιο το φως λέιζερ, θερμότητα από το περιβάλλον - η διαφορά στις συχνότητες μεταξύ της κορυφής και του κάτω μέρους του νέφους παραμένει η ίδια. Η μέτρηση αυτής της διαφοράς αποκάλυψε την επίδραση της βαρύτητας. «Αυτό δεν είναι ασήμαντο», είπε ο Andrew Ludlow, ειδικός στο ατομικό ρολόι στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα.

Σύμφωνα με την προεκτύπωση, αυτή η επίδειξη είναι ένα βήμα προς τη μελέτη της ένωσης της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής. (Οι συγγραφείς αρνήθηκαν να πάρουν συνέντευξη μέχρι να δημοσιευτεί η εργασία σε περιοδικό με κριτές.)

Η σχετικότητα περιγράφει έναν χωροχρόνο στον οποίο τα αντικείμενα έχουν σαφώς καθορισμένες ιδιότητες και κινούνται προβλέψιμα από τη μια θέση στην άλλη. Στην κβαντική θεωρία, αντίθετα, ένα αντικείμενο μπορεί να βρίσκεται σε μια «υπέρθεση» πολλών ιδιοτήτων ταυτόχρονα ή μπορεί ξαφνικά να μεταπηδήσει σε μια συγκεκριμένη τοποθεσία. Αυτές οι δύο περιγραφές ταιριάζουν καλά με τις αντίστοιχες σφαίρες της πραγματικότητας, αλλά είναι ασυμβίβαστες όταν λαμβάνονται μαζί.

Τι συμβαίνει λοιπόν όταν τόσο η κβαντική μηχανική όσο και η σχετικότητα είναι απαραίτητες για την περιγραφή ενός φαινομένου;

Πάρτε την περίπτωση όπου ένα τεράστιο αντικείμενο τοποθετείται σε μια υπέρθεση δύο πιθανών θέσεων ταυτόχρονα. Η γενική σχετικότητα λέει ότι κάθε αντικείμενο με μάζα πρέπει να λυγίζει το ύφασμα του χωροχρόνου. Τι γίνεται όμως αν αυτό το αντικείμενο βρίσκεται σε υπέρθεση; Είναι και η γεωμετρία του χωροχρόνου σε υπέρθεση;

Για να μελετήσουν τέτοια ερωτήματα, οι φυσικοί πάντα αναζητούν συστήματα όπου τόσο η βαρύτητα όσο και η κβαντική μηχανική είναι σημαντικές. «Τα ρολόγια είναι σίγουρα ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα συστήματα για τη δοκιμή αυτών των τύπων χαρακτηριστικών», δήλωσε η Flaminia Giacomini, θεωρητική φυσική στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά. Τα ρολόγια διασχίζουν φυσικά τη γραμμή μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της σχετικότητας. Λένε τον χρόνο, που είναι μια εγγενώς σχετικιστική έννοια. Είναι επίσης θεμελιωδώς κβαντικά:Ο τρόπος με τον οποίο τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από το ένα ενεργειακό επίπεδο στο άλλο είναι περνώντας μέσα από μια υπέρθεση ύπαρξης και στα δύο επίπεδα.

Εάν η ομάδα του Ye's βελτιώσει την ευαισθησία του ρολογιού τους κατά περίπου έναν ακόμη παράγοντα 10 - σε λίγα χρόνια από τώρα, με τον τρέχοντα ρυθμό βελτίωσης - μπορεί να αρχίσει να αναζητά βαρυτικά αποτελέσματα στη συμπεριφορά των ατόμων τους. Οι πρώτες υπογραφές αυτού θα εμφανίζονταν σε μια διαδικασία που ονομάζεται αποσυνοχή.

Η αποσυνοχή είναι υπεύθυνη για τη μετάβαση από τον παράξενο κόσμο της κβαντικής μηχανικής στον συνηθισμένο κόσμο της καθημερινής εμπειρίας. Κάθε φορά που το περιβάλλον αλληλεπιδρά με ένα κβαντικό σύστημα, μπορεί να θεωρηθεί ως μια μικροσκοπική μέτρηση που γίνεται στο σύστημα - ένας τρόπος για το περιβάλλον να μάθει κάτι για το κβαντικό σύστημα και να καταστρέψει την «κβαντική» του. Οι φυσικοί έχουν γίνει πολύ καλοί στο να προστατεύουν τα κβαντικά πειράματά τους από οτιδήποτε στο περιβάλλον θα τους ενοχλούσε. Αλλά δεν μπορούν να τα προστατέψουν από τη βαρύτητα.

Καθώς τα άτομα στο ρολόι του Ye κινούνται πάνω και κάτω στο σύννεφο, αντιμετωπίζοντας μια διακύμανση στη ροή του χρόνου, η βαρύτητα θα αλλάξει τον τρόπο που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και θα προκαλέσει μια παρατηρήσιμη αλλαγή στη δυναμική τους. Δεν θα είναι ακόμα η κβαντική βαρύτητα αυτή καθεαυτή, όπου η βαρύτητα κβαντοποιείται σε θεμελιώδη σωματίδια που ονομάζονται  γραβιτόνια. Αλλά θα ήταν ένα πολύτιμο παράδειγμα της κβαντικής μηχανικής και της βαρυτικής συνυφής για να προκαλέσει ένα νέο φαινόμενο.

"Οτιδήποτε μπορεί να μας βοηθήσει να μάθουμε τι είδους συμπεριφορά έχει η βαρύτητα όταν παίζουν ρόλο τόσο τα κβαντικά όσο και τα βαρυτικά φαινόμενα, νομίζω ότι θα είναι πολύ, πολύ χρήσιμο για μελλοντική έρευνα", είπε ο Τζιακομίνι.