«Жуткое действие на расстоянии» может создать почти идеальные часы
Физики представляют день, когда они смогут разработать часы, которые будут настолько точными, что они будут использоваться для обнаружения тонких возмущений в пространстве-времени или для поиска неуловимой темной материи, которая тянет все вокруг, но не излучает света. Тиканье этих часов будет почти идеальным.
Возможно, эта мечта не за горами: группа исследователей создала часы, которые с некоторыми изменениями могут быть в четыре-пять раз точнее лучших в мире. Чтобы представить это в перспективе, если бы самые точные часы сегодняшнего дня начали отсчитывать время при рождении Вселенной, сегодня они отстали бы всего на полсекунды; с дополнительными улучшениями, эти новые часы могут отличаться всего на 0,1 секунды.
«Атомные часы на много порядков являются самыми точными инструментами, которые когда-либо создавались человечеством», – сказал Владан Вулетич, профессор физики Массачусетского технологического института и старший автор недавней статьи, описывающей эту работу. Теперь «мы раздвигаем эту границу», – добавил он.
Атомные часы тикают в соответствии с движением атомов. С 1960-х годов атомные часы, отвечающие за глобальное время и определение «секунды», основаны на атомах цезия; Эти часы бомбардируют атомы цезия микроволнами и измеряют время, когда электроны колеблются от более низкого энергетического уровня (называемого основным состоянием) до более высокого (возбужденное состояние), как ранее сообщала Live Science.
За последнее десятилетие исследователи разработали «оптические часы», которые в 100 раз точнее атомных часов цезия. В этих часах используются лазеры или видимый свет для возбуждения атомов таких элементов, как алюминий или иттербий; видимый свет имеет более высокую частоту, чем микроволны, и поэтому он может возбуждать колебания атомов в 100000 раз быстрее, чем микроволны могут возбуждать атомы цезия. Это более быстрое колебание добавляет больше точек данных к измерению секунды, делая его более точным. Скоро будет официальное «переопределение секунды» с использованием этих гораздо более точных оптических часов, сказал Вулетич Live Science.
Неопределенность
Но даже эти почти безупречные оптические атомные часы не могут точно измерять время, потому что они становятся жертвами правил квантовой механики, странных правил, управляющих зоопарком субатомных частиц. Атомы, запускающие часы, настолько малы, что их состояния невозможно точно определить, поэтому они определяются вероятностями. Следовательно, электрон не находится в возбужденном или основном состоянии, но с некоторой вероятностью может находиться на нескольких энергетических уровнях одновременно.
Попытка измерить состояние отдельного атома сродни подбрасыванию монеты, поскольку фактическое измерение «вынуждает» атом выбрать либо основное состояние, либо возбужденное состояние, но «вы никогда не найдете что-то среднее», – сказал Вулетич. Эта погрешность измерения делает невозможным точное определение времени. Когда вы увеличиваете количество атомов в часах (которое можно представить как количество подбрасываемых монет) и начинаете вычислять среднее значение того, сколько атомов возбуждено, а сколько нет, измерения начинают становиться более точными.
Чем больше атомов вы добавите, тем меньше будет ваша ошибка измерения или неопределенность – так называемый «стандартный квантовый предел». По словам Вулетича, поскольку точность измерений определяется как квадратный корень из числа подбрасываемых монет, бросание 10 000 монет в 10 раз точнее, чем, например, бросание 100.
Вот почему современные оптические часы измеряют время, усредняя колебания тысяч атомов. Но даже этот метод не может избавиться от стандартного квантового предела. Десять лет назад Вулетич и его команда вместе с исследователями из Белградского университета в Сербии придумали, как преодолеть это ограничение: запутать частицы. Квантовая запутанность – или «жуткое действие на расстоянии», как его назвал Альберт Эйнштейн – это идея о том, что судьбы крошечных частиц связаны друг с другом, даже если они разделены большими расстояниями. Таким образом, запутывая атомы, которые отслеживают время, ученые могли бы поддерживать каждую пару или группу запутанных атомов в одном и том же состоянии и, таким образом, колебаться с одинаковой частотой, тем самым позволяя часам преодолеть стандартный квантовый предел и более точно измерять время .
«Запутывание атомов делает броски менее случайными, так сказать», – сказал Вулетич. «Бросок каждого атома в отдельности по-прежнему случайен, но все броски вместе имеют меньшую случайность, чем броски независимых атомов». Это похоже на размещение 100 монет на столе, 50 орлов и 50 решек. Если вы возьмете любую монету, не глядя, она окажется орлом или решкой. Но как только вы соберете все монеты, выпадет ровно одинаковое количество орлов и решек. «Квантовая запутанность немного похожа на это», – сказал он.
Теперь они проверили свою идею.
Для этого Вулетич и его команда поместили 350 атомов иттербия между двумя зеркалами. Затем они выпустили лазерный луч, который отражался взад и вперед между зеркалами. Когда свет попал на первый атом, атом изменил свет. Затем этот свет изменил второй атом, затем третий и все остальные, пока все они не запутались и не начали колебаться с одинаковыми фазами. Затем команда использовала другой лазер, чтобы измерить среднюю частоту колебаний этих атомов.
Исследователи поставили свой эксперимент таким образом, что атомы оказались зажаты между двумя зеркалами. Лазер ударяет по атомам и запутывает их; второй лазер измеряет их колебания. (Изображение предоставлено: Новости Массачусетского технологического института / Предоставлено исследователями)
Когда группа провела два эксперимента – один с запутанными атомами и один без них, – они обнаружили, что запутанные атомы могут измерять время с той же точностью, но в четыре раза быстрее. Они также обнаружили, что, когда два часа измеряли одинаковое время, запутанные часы были более точными.
Тем не менее, команде предстоит кое-что исправить. По словам Вулетича, лазер, который они использовали, в настоящее время не так стабилен, как хотелось бы, поэтому часы «не совсем на уровне производительности лучших часов, которые не используют запутывание». Тем не менее, с настройкой лазера использование запутанных атомов может сделать оптические часы намного более точными.
В будущем команда также хочет показать, что, используя более чем одни атомные часы, «вы можете еще больше повысить то преимущество, которое вы получили от квантовой запутанности», – сказал Вулетич. В конце концов, у вас может быть несколько часов на больших расстояниях, которые используют запутанность и показывают время еще более точно, добавил он.
Чрезвычайно точные часы со временем могут найти применение не только для определения времени. «Время зависит от гравитации», – сказал Вулетич, имея в виду идею о том, что из-за относительности массивные объекты (которые имеют более высокую гравитационную силу) деформируют пространство-время, замедляя время.
Итак, если у вас есть два часа, и вы поднимаете один из них на 1 фут (0,3 метра) выше, «на этих двух высотах время фактически течет по-разному». По мере того, как эти часы станут более точными, их можно будет использовать для определения того, как меняется время, тем самым обнаруживая тонкие гравитационные эффекты во Вселенной, такие как рябь в пространстве-времени, известная как гравитационные волны. По его словам, поскольку темная материя также обладает гравитационным притяжением, мелкие изменения в тиканье времени могут раскрыть природу темной материи, которая нас окружает.
Есть даже предположение, что так называемые абсолютные константы в мире физики, такие как скорость света или заряд электронов, могут изменяться по мере расширения Вселенной. И поскольку эти константы определяют законы физики, которые управляют уровнями энергии в атоме, они также могут изменить измерение времени, сказал он. Так что возможно, что «сама сущность времени изменяется по мере расширения Вселенной».
Результаты были опубликованы 16 декабря в журнале Nature.
В нашем Telegram‑канале вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
