Исследование квантовой механики и гравитации на атомной игровой площадке
Исследование, проведенное группой ученых под руководством Джуна Йе и Аны Марии Рей из Университета Колорадо в Боулдере, представляет собой значительный шаг вперед в понимании взаимодействия между квантовой механикой и общей теорией относительности (ОТО). Эти две фундаментальные теории, хотя и успешно описывают физические явления на своих масштабах — квантовая механика на уровне атомов и частиц, а ОТО на уровне космологических объектов — до сих пор не объединены в единую теоретическую конструкцию. Одной из ключевых проблем является изучение того, как гравитационные эффекты, предсказанные ОТО, влияют на квантовые системы, особенно в контексте квантовой запутанности и взаимодействий многих тел.
Оптические решетчатые часы, которые являются одними из самых точных устройств для измерения времени, стали центральным инструментом в этом исследовании. В таких часах атомы удерживаются в потенциале, создаваемом лазерными лучами, что позволяет с высокой точностью контролировать их квантовые состояния.
Одним из ключевых эффектов, который изучается в этом контексте, является гравитационное красное смещение — явление, предсказанное ОТО, согласно которому время течет медленнее в более сильных гравитационных полях. Это приводит к тому, что энергетические уровни атомов, используемых в часах, слегка смещаются в зависимости от их положения в гравитационном поле, что влияет на их «тиканье» — колебания, которые определяют ход времени.
Исследователи сосредоточились на изучении того, как гравитационное красное смещение влияет на квантовые системы многих тел, где атомы могут взаимодействовать и запутываться. В отличие от отдельных атомов, где релятивистские эффекты относительно хорошо изучены, поведение квантовых систем многих тел в гравитационных полях остается малоисследованной областью. Ученые предложили инновационные протоколы для изучения этих эффектов, используя оптические решетчатые часы как платформу для экспериментов.
Одним из ключевых результатов исследования стало обнаружение того, что взаимодействие между атомами может привести к их синхронизации, несмотря на гравитационное красное смещение. Обычно атомы, находящиеся на разных высотах в гравитационном поле, должны «тикать» с разной частотой из-за различий в гравитационном потенциале. Однако, когда атомы взаимодействуют через обмен фотонами в оптической полости, они начинают синхронизироваться, что приводит к их коллективному поведению. Это явление демонстрирует, как квантовые взаимодействия могут преодолевать эффекты гравитации, создавая синхронизацию и даже квантовую запутанность между частицами.
Для изучения этих эффектов исследователи разработали специальные протоколы, включая метод «одевания», который позволяет тонко настраивать гравитационные эффекты, манипулируя внутренними состояниями атомов. Этот метод основан на эквивалентности массы и энергии (E=mc²), что означает, что атом в возбужденном состоянии имеет немного большую массу, чем в основном состоянии. Используя суперпозицию внутренних состояний, ученые смогли точно контролировать величину гравитационного красного смещения, что позволило им отделить истинные гравитационные эффекты от других источников шума, таких как градиенты магнитного поля.
Важным открытием стало то, что фотонно-опосредованные взаимодействия между атомами могут приводить к их синхронизации, несмотря на гравитационное красное смещение. Это явление не только демонстрирует конкуренцию между гравитационными и квантовыми эффектами, но и приводит к возникновению квантовой запутанности между частицами. Синхронизация атомов, вызванная их взаимодействием, служит индикатором запутанности, что открывает новые возможности для изучения связи между ОТО и квантовой механикой.
Это исследование имеет важные последствия для фундаментальной физики, поскольку оно предоставляет новые методы для изучения взаимодействия между гравитацией и квантовыми системами. Разработанные протоколы могут быть использованы для повышения точности атомных часов, что имеет значение не только для фундаментальных исследований, но и для прикладных областей, таких как квантовые вычисления и навигационные системы. Кроме того, обнаружение квантовой запутанности, вызванной гравитационными эффектами, может стать важным шагом на пути к объединению квантовой механики и ОТО.
В будущем исследователи планируют изучить, как частицы ведут себя в различных гравитационных условиях и как взаимодействия могут усиливать или ослаблять гравитационные эффекты. Это может привести к новым открытиям в области квантовой гравитации и помочь в создании более точных моделей, объединяющих две великие теории современной физики. Работа ученых из JILA, NIST и их коллег представляет собой важный вклад в эту область, открывая новые горизонты для исследований на стыке квантовой механики и общей теории относительности.