Pierwszy kwantowy zegar pendulowy. Może odpowiedzieć, skąd bierze się grawitacja
Naukowcy zaprojektowali kwantową wersję klasycznego zegara z wahadłem. To nie tylko genialne urządzenie do pomiaru czasu – ma potencjał, by zbadać samo pochodzenie grawitacji.
Wahadło w starym, dębowym zegarze tyka miarowo, odliczając sekundy. A gdyby tak zastąpić je układem kwantowym? Zespół badaczy zaprojektował właśnie pierwszy kwantowy zegar pendulowy – urządzenie, które może rzucić światło na naturę czasu i pomóc w rozwiązaniu jednej z największych zagadek fizyki: skąd bierze się grawitacja.
Od wahadła do kwantów
→ Czytaj też: Zaskakujące odkrycie w kamieniu z Iranu. Natura zrobiła to, czego fizycy nie potrafią
Pomysł wydaje się prosty – wykorzystać mechanikę kwantową do budowy odpowiednika wahadła. Jednak realizacja to wyzwanie na miarę XXI wieku. Klasyczny zegar pendulowy mierzy czas dzięki regularnym wychyleniom masy zawieszonej na nici. W wersji kwantowej rolę wahadła pełni pojedyncza cząstka lub grupa cząstek utrzymywana w stanie superpozycji. Jak informują twórcy – ich projekt mógłby badać subtelne efekty grawitacyjne, które dla zwykłych przyrządów są niewidoczne. Artykuł na ten temat ukazał się w New Scientist.
Dlaczego to takie ważne?
→ Czytaj też: Naukowcy potwierdzili istnienie czasu bez zegara. Jak to możliwe?
Grawitacja jest dla nas codziennością – to ona trzyma nas na Ziemi, decyduje o orbitach planet i kształtuje wszechświat. Jednak jej kwantowy opis wciąż wymyka się fizykom. Ogólna teoria względności Einsteina świetnie sprawdza się w skali makro, ale przy cząstkach elementarnych zawodzimy. Próby połączenia jej z mechaniką kwantową rodzą poważne trudności. Kwantowy zegar pendulowy może dostarczyć danych, które pozwolą sprawdzić, która z proponowanych teorii – jak pętlowa grawitacja kwantowa czy teoria strun – jest bliższa prawdy. To urządzenie może stać się rodzajem „kwantowego detektywa” tropiącego najmniejsze przejawy grawitacji.
To nie tylko precyzyjny czasomierz. To okno na nową fizykę – fizykę, która może wyjaśnić, dlaczego masa zakrzywia czasoprzestrzeń.
Jak działa kwantowe wahadło?
W zwykłym zegarze wahadło porusza się ruchem okresowym – jego okres zależy głównie od długości nici i przyspieszenia grawitacyjnego. W wersji kwantowej zespół wykorzystuje ultrazimne atomy lub jony uwięzione w pułapce. Atomy te znajdują się w stanie superpozycji kwantowej – są jednocześnie w dwóch różnych położeniach, oddalonych od siebie o mikrometry. Kiedy grawitacja oddziałuje na tę superpozycję, zmienia sposób, w jaki cząstki „tykają”. Dzięki niezwykle precyzyjnym pomiarom można wyłapać nawet minimalne różnice w sile grawitacji. To trochę jak z dwoma wahadłami w klasycznym zegarze – tykają w idealnym rytmie, ale jeśli jedno z nich znajdzie się w nieco innym polu grawitacyjnym, rytm zacznie się rozjeżdżać. Wersja kwantowa jest jednak miliardy razy czulsza.
Co to oznacza dla przyszłości fizyki?
Jeśli konstrukcja się sprawdzi, naukowcy będą mogli mierzyć efekty, które dotąd były tylko teorią. Jednym z nich jest zjawisko dekoherencji grawitacyjnej – zakłada ono, że nawet w idealnej próżni oddziaływanie z polem grawitacyjnym niszczy kwantową spójność układu. Eksperyment z kwantowym zegarem pendulowym mógłby potwierdzić lub obalić tę hipotezę. Co więcej, urządzenie może pomóc w konstrukcji jeszcze dokładniejszych zegarów atomowych, które posłużą do nawigacji kosmicznej, testów ogólnej teorii względności, a nawet do poszukiwania ciemnej materii. Każda nowa cząstka czy siła, która wpływa na tempo „tykania” kwantów, ujawni się jako drobne odchylenie od przewidywań.
Pierwszy kwantowy zegar pendulowy to więcej niż ciekawostka – to krok w stronę zrozumienia najgłębszej struktury rzeczywistości. Być może już wkrótce dowiemy się, czy grawitacja jest fundamentalną siłą natury, czy może efektem czegoś jeszcze bardziej podstawowego. Odpowiedź na to pytanie może zmienić nasze postrzeganie wszechświata.
