Зміст
Чи можна обійти принцип невизначеності Гейзенберга і заборону Паулі ще точніше вимірювати час в оптичних годинниках? Цим питанням займалася польсько-литовська група фізиків. Вони показують, як створюють т. зв стислі стани.
Результати дослідження, проведеного міжнародною групою за участю групи dr hab. Емілія Вітковська (IF PAN, Варшава) та проф. Гедімінас Юзелюнас (Вільнюський університет, Вільнюс), у співпраці з д-ром. Marcin Płodzień (ICFO, Барселона) з’явився в престижному “Physical Review Letters”. Дослідження узагальнено доктором Вітковською та її командою в заяві для PAP.
Нечітка реальність
У світі великих видимих об’єктів ми звикли до передбачуваності: якщо ми знаємо положення даного тіла та його імпульс, то завдяки рівнянням Ньютона ми можемо розрахувати його траєкторію та точно вказати, де воно буде в певний момент часу – такі об’єкти називаються класичними об’єктами. Однак, якщо ми вивчаємо нанорозмірні об’єкти, виявляється їх хвильова природа, і «класична» передбачуваність закінчується. Це пов’язано із законами фізики, а не з неточністю наших вимірювальних інструментів. Наслідком хвильової природи частинок є нездатність точно визначити положення частинки, і можна визначити лише ймовірність того, з якою частинка знаходиться в даній точці простору. Ця ймовірність визначається квантовим станом частинки.
ПРОВАЛ НЕЗАЛЕЖНОСТІ
Наслідком квантової природи об’єктів є принцип невизначеності Гейзенберга, який говорить про те, що неможливо з будь-якою точністю виміряти всі властивості квантової частинки одночасно: наприклад, її положення та імпульс одночасно.
Квантова частинка може перебувати в різних станах. У т. зв когерентного стану, невизначеність вимірювання його положення та імпульсу рівні між собою. Коли частинка перебуває в стані, коли невизначеність одного вимірювання зменшується за рахунок збільшення невизначеності іншого, це називається стислим станом.
Величезність сучасних досліджень пов’язана з пропозицією використання квантових ефектів, що дозволяють підвищити точність вимірювання даної величини, наприклад, вищезгадане квантове стиснення.
БІЮТЬ НАДТОЧНІ ГОДИННИКИ
Наприклад, найточніші сьогодні годинники використовують атоми для вимірювання плину часу – вимірювання одиниці часу, тобто секунди, базується на вимірюванні різниці енергії між двома рівнями енергії, тобто. швидкість атомного переходу. У лабораторних вимірюваннях атоми, наприклад цезію, охолоджують до температури, близької до абсолютного нуля, тобто порядку нанокельвінів, а потім, на основі вимірювання різниці в кількості атомів у вищому та нижчому енергетичному стані, визначається частота атомного переходу. Це є основою для визначення сучасної одиниці часу. Іншими словами, чим точніше ми вимірюємо частоту атомного переходу, тим точніше ми можемо виміряти плин часу. В даний час атомний годинник має точність приблизно до однієї десятої наносекунди на день, що означає, що атомний годинник може запізнюватися на одну секунду кожні 300 мільйонів років. Проте вчені все ще дивуються, як можна ще більше підвищити таку фантастичну точність.
«Ви можете запитати, чи потрібен нам такий надточний час? Ну, так, і одна з найпростіших відповідей пов’язана з точністю систем GPS, які ми використовуємо в нашому повсякденному житті, коли ми переходимо з одного місця в інше. Правильна синхронізація часу тут має фундаментальне значення: коли годинники на орбіті та на Землі не синхронізовані, система GPS дуже швидко втрачає точність визначення місця розташування», – каже д-р Плодзінь (володар гранту програми NAWA Bekker 2020).
Наприклад, якщо годинники синхронізовані на рівні сотих часток секунди, то точність позиції, яку вказує GPS, становить близько трьох кілометрів! «Ми можемо уявити, які наслідки це матиме для досягнення наших пунктів призначення з такою точністю», – каже д-р Płodzień.
“Але це ще не все, – додає він. – Точні вимірювання частоти дуже важливі для розвитку науки, наприклад, вони дозволяють перевірити передбачення загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна і той факт, що час тече по-різному в залежності від сили гравітації”. Це означає, що час на Землі тече інакше, ніж на супутниковій орбіті, де розташовані вищезгадані супутники GPS. Синхронізація земного й орбітального годинників має враховувати цей ефект. Надточний годинник також дозволить виявити гравітаційних хвиль і виявлення гіпотетичної темної матерії, яка може викликати повільні коливання фізичних констант».
Щоб побудувати такі надточні прилади, як оптичні годинники, потрібна максимально точна інформація про окремі частинки. Однак для досягнення такої точності нам потрібні настільки точні вимірювання, що ми входимо у світ квантів. Таким чином, створення все кращих і кращих годинників дійсно починає заважати обмеженням, пов’язаним з принципом невизначеності Гейзенберга. Звідси видається таким важливим для фізиків створення т.зв стислі стани. Простіше кажучи, мова йде про захоплення частинок таким чином – наприклад, у сітках оптичної “клітки”, щоб мати можливість точно знати певну властивість – так звану частоту атомного переходу – за рахунок розмивання іншої властивості, яка не буде важливою в цільовому пристрої.
ЯК ЗВ’ЯЗАТИСЯ З FERMIONS
Досі створення стислих станів в ультрахолодних атомах було можливе за допомогою т.зв бозонні атоми. Такі атоми здатні взаємодіяти один з одним за рахунок зіткнень. Для бозонів, однак, існує залежність зсуву енергетичних рівнів, величина якої залежить головним чином від щільності атомів, що, у свою чергу, призводить до того, що точність вимірювань частоти атомних переходів значно знижується.
З іншого боку, зсув рівнів енергії в атомах ферміонів дуже обмежений, тому ферміони ідеально підходять для точних вимірювань частоти. Вчені хотіли створити стислі стани і в таких атомних газах.
Однак це був великий виклик. Був т. зв заборона Паулі, яка блокує можливість взаємодії атомів ферміонів при температурах, близьких до абсолютного нуля. Як наслідок відсутності взаємодії між атомами, неможливо створити стиснення. Однак це обмеження вдалося обійти.
«Наша ідея полягає в тому, щоб освітлювати ферміони, захоплені в оптичній решітці з одним ферміоном в одній сітці решітки, зовнішнім лазерним світлом відповідної фази. Виявляється, зв’язок атомів зі світлом вводить необхідну взаємодію між ферміонами та генерує сильно стиснуті квантові стани», – говорить доктор. Вітковська.
На думку дослідників, ця ідея може бути використана в майбутньому для підвищення точності вимірювання частоти атомних переходів у надзвичайно стабільних і надточних годинниках – на основі атомів ферміонів в оптичних мережах.
«Запропонований нами метод вимагає лише незначної модифікації систем, які зараз тестуються в лабораторіях, як ультрахолодних ферміонів, розміщених у періодичній оптичній ґратці, так і т.зв. оптичний пінцет », – підсумовує проф. Юзелюнас.
Дослідження польської команди фінансуються в рамках проектів NCN DAINA та NAWA BEKKER 2020.
PAP – Наука в Польщі, Людвіка Томала
lt / agt /
