0
17733
Газета Печатная версия

26.12.2023 17:31:00

Экспериментаторы надеются зафиксировать колебания массы атомов

На квантах свет клином не сошелся

Тэги: физика, квантовая физика


физика, квантовая физика Интерференционная картина, вызванная взаимодействием тяжелых частиц (показаны в виде лун) в искривленном пространстве-времени. Иллюстрации Physorg

Исаак Ньютон, автор «Математических начал натуральной философии», увидевших свет в 1687 году, и «Оптики» (1704), твердо стоял на том, что свет есть поток частиц разного цвета, которые и разделяются с помощью призмы. В Лондоне, будучи во главе Королевского общества, он вел яростные споры с Робертом Гуком, который вместе с немцем Готфридом Лейбницем защищал волновую природу света.

Одновременно и независимо друг от друга Лейбниц и Ньютон заложили основы математического анализа, дифференциального и интегрального исчислений. При этом Ньютон пытался понять время, определяя скорость течения его «флюэнтами», или флюксиями (современное название – «бесконечно малые»). Автор закона всемирного тяготения представил миру свой «Метод флюксий» в 1670 году, когда ему было всего 27 лет…

Гигантские силы тяготения присущи сверхмассивным черным дырам (СМЧД), которые находятся в центрах галактик, в том числе и нашего Млечного Пути в «проекции» созвездия Стрельца (Sagittarius A). Известно, что черные дыры «набирают» свою массу путем захвата соседних звезд, делая их компаньонками и источниками вещества. Нечто подобное делают и большие галактики, поглощающие более мелкие, примером чего может стать слияние туманности Андромеды с Млечным Путем.

Внегалактическое происхождение звездного вещества можно определить по его химическому составу. Примером может стать наблюдение, сделанное японскими астрономами Университета Мияги с помощью телескопа Субару (PJAS). Среди многих звезд, попавших в поле зрения («ширина» этого поля всего 0,4 светового года), авторы обнаружили звезду SO-6 возрастом 10 млрд лет. Химический анализ звезды, находящейся всего в 0,04 светового года от созвездия Стрельца, показал, что она «пришла» либо из Малого Магелланова Облака, либо из карликовой галактики, ранее поглощенной Млечным Путем. Ее путь занял никак не меньше 50 тыс. лет и был, по мнению авторов, не по прямой, а спиральным. Если все это верно, то открытая звездная система несколько противоречит закону всемирного тяготения, согласно которому массы в пространстве взаимодействуют друг с другом напрямую.

Впрочем, подобное несоответствие с классическим законом, сформулированным в конце ХVII века, не потрясает основ физики и космологии. Ученых волнует несводимость взглядов Альберта Эйнштейна на природу тяготения и постулатов квантовой физики. В частности, в квантовой физике постулируется, что квантовые законы реализуются на сверхмалых расстояниях и в мире сверхмалых частиц. Они могут пребывать в разных локациях и быть в то же время связанными, перепутанными (entangled) своими квантовыми свойствами-состояниями. Долгие десятилетия споров о природе света привели также к постулированию существования так называемых волновых пакетов (распространяющееся волновое поле, занимающее в каждый момент времени ограниченную область пространства).

13-1-2-t.jpg
Так символически можно представить
точное «взвешивание» атома золота
с возможным получением колебаний его массы.
Иллюстрации Physorg
Доказательство квантовой природы света добыл за век до рождения квантовой физики глазной врач Томас Юнг, практиковавший в Лондоне. Однажды он направил свет на пластинку с двумя узкими прорезями. На стене он увидел, к своему удивлению, чередование светлых и темных полос, которое было похоже на картину волн, возникающих на поверхности воды, в которую одновременно бросили два камня. Юнг догадался, что свет есть волны, которые после разделения начинают усиливать и гасить друг друга, «вмешиваться» в распространение. Подобное вмешательство он назвал по латыни «интерференция».

Гениальность Альберта Эйнштейна, создателя общей теории относительности (ОТО), постулировавшего неразрывность пространства-времени, подтвердилась через век, когда были зафиксированы гравитационные волны, распространяющиеся подобно «ряби» (ripples). В ОТО также предсказывалось существование гравитационных линз. Они образуются из-за искривления пространственно-временного континуума. Наглядная аналогия – прогиб резиновой поверхности под тяжестью положенной на нее гири. Очень скоро, в 1919 году, справедливость эйнштейновской интерпретации была доказана экспериментально – во время солнечного затмения это сделал астроном из Кембриджа Артур Эддингтон. Через два года Эйнштейну присудили Нобелевскую премию, правда, не за ОТО, а за фотоэффект, лежащий в основе работы фотоэлементов. Нобелевские судьи, по-видимому, были не готовы признать глубокий смысл ОТО.

В парижской Палате мер и весов постоянно взвешивают эталонный килограмм. Это делается с целью не пропустить возможные колебания, флюктуации его массы. Если такой эффект все же обнаружится, это способно стать возможным подтверждением правомерности сверхсложных математически теорий струн и петель. Обе эти теории конкурируют и с классической (ньютоновской) теорией тяготения, и с ОТО.

Заметим, что за 30 лет до публикации Ньютоном «Начал» 28-летний голландец Христиан Гюйгенс создал первые часы с маятником. Считается, что его колебания отражают меру искривления пространства-времени. С помощью маятника французский физик Жан Фуко, член Петербургской Академии наук, определил суточное вращение Земли и скорость света в воздухе (1850–1851). В 1918 году немецкий физик Макс Планк, бывший также членом Российской академии наук, получил Нобелевскую премию за формулирование идеи кванта, в том числе – кванта действия. Согласно Нильсу Бору, квант света, фотон, излучается электроном, который возвращается на свой исходный энергетический уровень в атоме. Учеными сначала были созданы пьезочасы (кварцевые), затем атомные и, наконец, лазерные, продолжительность импульса которых сократилась до аттосекунд (10–18 с). Это позволило резко повысить разрешение физических инструментов и точность получаемых в ходе опытов результатов.

Две статьи, опубликованные в декабре сотрудниками Университетского колледжа Лондона в журналах Nature Communications и Physical Review, возможно, лягут в основу великого объединения квантовой физики и гравитации. И это соединит наконец-то эйнштейновское понимание «фактуры» пространства-времени и природы тяготения.

В квантовых экспериментах сегодня используется изотоп углерода С-60, или фуллерен, молекула которого представляет собой полую сферу. В Лондоне его предложили заменить тяжелым атомом золота, плотность которого неизмеримо выше, поэтому и результат предлагаемого опыта может быть более точным. Авторы статей, в которых представлена постквантовая теория классической гравитации, надеются уловить ничтожно малые отклонения-флюктуации.

Сначала, по их мнению, имеет смысл определить шкалу флюктуаций двух атомов золота, находящихся в суперпозиции связанных состояний. Затем с максимально возможной точностью измерить время нахождения атомов в суперпозиции. Фактически речь идет о классическом взвешивании материальных объектов в пространстве-времени, характеризующемся колебаниями (гравитационные волны). Ученые надеются также подтвердить реальность волновой природы атомов и выяснить, как влияют на нее флюктуации, наличие которых может объединить два взгляда на гравитацию. 


Читайте также


Поворот стрелы времени космолога Сахарова

Поворот стрелы времени космолога Сахарова

Евгений Стрелков

Пульсирующий Универсум как компромисс между бесконечно расширяющейся и стационарной Вселенной

0
12794
Как физики обошли ограничение в достижении энергий, характерных для Большого взрыва

Как физики обошли ограничение в достижении энергий, характерных для Большого взрыва

Александр Спирин

Проникнуть в атомное ядро «по касательной»

0
12450
Фотоны как универсальный инструмент увидеть то, что казалось невидимым

Фотоны как универсальный инструмент увидеть то, что казалось невидимым

Максим Ухин

Чудеса белого света

0
11426
Новости науки. Ученые попыталась измерить термические эффекты слияния двух нейтронных звезд

Новости науки. Ученые попыталась измерить термические эффекты слияния двух нейтронных звезд

Игорь Лалаянц

0
5241

Другие новости