Закрученное пространство: сверхтекучий гелий поможет проверить теорию Эйнштейна

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Австрийской академии наук и Калифорнийского технологического института предложили новый способ измерения эффекта увлечения инерциальных систем отсчета — одного из самых тонких предсказаний общей теории относительности Эйнштейна. Ученые показали, что сверхтекучий гирометр на основе гелия-4, охлажденного до милликельвиновых температур, способен уловить вращение Земли, увлекающее за собой пространство-время, с точностью, которая ранее была недостижима в лабораторных условиях. Статья с описанием предложенного эксперимента и анализа шумов опубликована в журнале Physical Review Letters.

Общая теория относительности уже больше века остается одной из самых проверенных и одновременно самых загадочных глав физики. Она предсказывает, что массивные вращающиеся тела не просто притягивают окружающие объекты, но и слегка закручивают само пространство-время вокруг себя. Этот эффект, известный как увлечение инерциальных систем отсчета, настолько слаб, что для его обнаружения у Земли требуются инструменты, сравнимые по чувствительности с лучшими космическими обсерваториями.

Неудивительно, что до сих пор такие измерения были уделом спутников, а не настольных лабораторных установок. Однако группа физиков решила бросить вызов этой традиции и обратилась к необычному свойству жидкого гелия, который при очень низких температурах превращается в сверхтекучую жидкость, способную течь без малейшего трения.

Суть идеи такова. Если взять трубку в форме пончика и заполнить ее сверхтекучим гелием-4, охлажденным ниже двух с половиной градусов выше абсолютного нуля, то жидкость в ней будет вести себя как единая квантовая волна. Если на пути потока поставить барьер с крошечными отверстиями, так называемый джозефсоновский переход, то при вращении всей установки на этом переходе возникнет квантово-механическая разность фаз. Ее можно зафиксировать, следя за колебаниями механической диафрагмы, соединенной с петлей сверхтекучей жидкости.

Чем слабее вращение, тем меньше сигнал, но именно здесь на сцену выходит температура. При охлаждении до милликельвинов тепловой шум, который обычно маскирует слабые эффекты, резко падает. Расчеты показали, что при десяти милликельвинах и использовании материалов с наименьшими механическими потерями спектральная плотность шума может составить около 5 х 10^-17 rads/s/√Hz. Этого достаточно, чтобы всего за одну секунду измерения выделить вклад увлечения инерциальных систем отсчета с точностью до долей процента.

Для сравнения: аналогичные датчики на сверхтекучем гелии уже создавались в Беркли под руководством профессора Ричарда Пакарда и даже использовались для измерения вращения Земли. Однако обнаружить на их фоне слабый релятивистский эффект увлечения не удавалось, потому что дополнительная фаза от увлечения чрезвычайно мала и легко теряется в случайных тепловых флуктуациях.

Новый анализ показал, что переход к сверхнизким температурам меняет ситуацию кардинально. Чувствительность к вращению оказывается настолько высокой, что соответствует обнаружению одного полного оборота за четыре миллиарда лет. Это, в свою очередь, позволяет измерять разности собственного времени порядка 10^-35 s — масштабы, которые лежат далеко за пределами возможностей обычных часов, но становятся доступны благодаря квантовой когерентности сверхтекучего гелия.

Важно подчеркнуть, что речь идет не только о проверке уже известного эффекта. Ученые отмечают, что их предложение открывает возможность наблюдать общерелятивистские явления в макроскопической квантовой системе, чего не может дать ньютоновская гравитация. Более того, изменения концентрации гелия в петле могли бы выявить различия во времени прохождения разных траекторий вокруг датчика. Это уже намек на изучение влияния гравитации на само время и, возможно, на поиск следов квантовой гравитации, то есть явлений, которые лежат за пределами теории Эйнштейна. Пока такие эффекты чисто гипотетические, но сверхтекучий гирометр дает редкий шанс приблизиться к ним в реальном эксперименте.

На пути к практической реализации исследователям предстоит решить непростую задачу. Им нужны джозефсоновские переходы для сверхтекучего гелия-4, способные работать при милликельвиновых температурах, а не вблизи температуры сверхтекучего перехода, как в предыдущих экспериментах. Такие устройства сейчас разрабатываются в Калтехе. Теоретики, в свою очередь, начинают задумываться о том, какие новые физические явления могли бы проявиться, если бы удалось исследовать временные масштабы, на несколько порядков превышающие планковское время. Особый интерес вызывает вопрос, могут ли квантово-гравитационные эффекты или другие взаимодействия за рамками теории Эйнштейна оставить след в подобном эксперименте.

В итоге работа показывает, что сверхтекучий гирометр на гелии-4, охлажденный до десяти милликельвинов, способен не просто повторить, а значительно превзойти чувствительность лучших современных измерений эффекта увлечения инерциальных систем отсчета Землей. При этом измерение можно провести не в космосе, а в обычной лаборатории, а время сбора данных сокращается до секунд. Это делает предложенный подход не только инструментом для проверки общей теории относительности, но и потенциальной платформой для поиска новых явлений на стыке гравитации и квантовой физики.