Теория относительности отлично работает, если надо объяснить явления космического масштаба, такие как гравитационные волны, которые появляются при столкновение черных дыр. А вот квантовая теория работает при описании явлений в масштабе частиц, например, поведение отдельных электронов в атоме.
Гравитация и квантовый мир исторически считаются противоположными, разными процессами. Уже много лет ученые пытаются их «примирить». Объединить обе главенствующие и противоречащие друг другу идеи и доказать «квантовую теорию гравитации» — одна из важнейших нерешенных задач науки.
Отчасти это связано с тем, что математика в этой области очень сложна. В то же время, трудно проводить подходящие эксперименты. Для них требуется создать ситуации, в которых явления как теории относительности играют важную роль, например, пространство-время, изогнутое тяжелыми массами, и в то же время становятся видимыми квантовые эффекты, например, двойственность частиц и волновая природа света.
Что сделали ученые?
В Австрии для этой цели разработан новый подход: использование «квантового симулятора». Вместо того, чтобы непосредственно исследовать интересующую систему (а именно квантовые частицы в искривленном пространстве-времени), создается «модельная система». Из нее можно узнать что-то о представляющей реальный интерес системе по ее аналогии. Физики уже показали, что этот квантовый симулятор отлично работает. Результаты физиков из Критского университета, Наньянского технологического университета и Свободного университета Берлина опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Как это работает?
Основная идея квантового симулятора проста: многие физические системы похожи. Даже если они отличаются по «составу», масштабу и, на первый взгляд, мало связаны друг с другом, системы могут подчиняться одним и тем же законам и уравнениям на более глубоком уровне. А, значит, можно узнать что-то о конкретной системе, изучая другую.
«Мы берем квантовую систему, которую можно хорошо контролировать и настраивать в экспериментах. В нашем случае, это ультрахолодные атомные облака, которые удерживаются и управляются атомным чипом с помощью электромагнитных полей», — объясняет профессор Йорг Шмидмайер из Атомного института Технического университета Вены.
Предположим, вы правильно настроили эти атомарные облака, чтобы их свойства можно было перевести в другую квантовую систему. В этом случае, можно узнать что-то о другой системе из измерения системы модели атомного облака. Для примера — также можно узнать что-то о колебаниях маятника из колебаний массы, прикрепленной к металлической пружине: это две разные физические системы, но одну можно перевести в другую.
Эффект гравитационного линзирования
В рамках нового эксперимента ученые показали, что используя квантовый симулятор, можно имитировать искривление пространства-времени. Вот как это работает.
В вакууме свет распространяется по так называемому «световому конусу». Скорость света постоянна; в равное время он проходит одинаковое расстояние в каждом направлении. Однако, если на свет воздействуют тяжелые массы, такие как гравитация Солнца, эти «конусы» искривляются. Пути света больше не идеально прямые в искривленном пространстве-времени. Это называется эффектом гравитационного линзирования.
То же самое теперь можно показать в атомарных облаках. Вместо скорости света ученые исследуют скорость звука. Теперь у физиком есть система, в которой есть эффект, соответствующий искривлению пространства-времени или гравитационному линзированию. Но, в то же время, это квантовая система, которую можно описать с помощью квантовых теорий поля. Благодаря этому у исследователей есть совершенно новый инструмент, чтобы изучать связи между теорией относительности и квантовой теорией.
Модельная система для квантовой гравитации
Эксперименты показывают, что форма световых конусов, эффекты линзирования, отражения и другие явления можно продемонстрировать в атомных облаках точно так, как ожидалось бы в релятивистских космических системах. Так можно не только получить данные для фундаментальных теоретических исследований. Например, в физике твердого тела и поиске новых материалов тоже появляются вопросы, которые отличаются аналогичной структурой. Поэтому их можно решить с помощью таких экспериментов.
Что дальше?
Ученые планируют улучшить контроль над атомными облаками, чтобы получать еще более важные данные. Например, о взаимодействии частиц. Таким образом, квантовый симулятор может воссоздавать настолько сложные физические ситуации, что их невозможно рассчитать даже с помощью суперкомпьютеров.
Кроме того, квантовый симулятор становится дополнительным источником информации для квантовых исследований — в дополнение к теоретическим расчетам, компьютерному моделированию и прямым экспериментам. При изучении атомных облаков исследовательская группа надеется обнаружить новые явления. Возможно, они до сих пор неизвестны науке, и присутствуют в космическом, релятивистском масштабе. Но без изучения крошечных частиц их, возможно, не обнаружили бы.
Читать далее:
Имплантация не нужна: появился способ отращивать зубы заново
Ученые открыли ядовитую, но застенчивую змею
Астрономы обнаружили признаки движения двух планет по одной орбите
На обложке: задний план — эффект гравитационной линзы, передний — пример квантовых частиц. Предоставлено: НАСА, Венский технологический университет