Чтобы «помирить» относительность и квантовый мир ученые создали симулятор: как он работает

Чтобы объединить общую теорию относительности и квантовый мир необходимо много сложных вычислений и экспериментов. Но не все реально провести в существующих условиях. Для этого ученые создали квантовый симулятор. «Хайтек» рассказывает, что это такое и как он работает.

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

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
Тайны древней звезды по соседству изучили, «подслушав ее песню»
Космос
Baidu делает ИИ для перевода звуков животных в человеческую речь
Наука
Оказалось, ИИ врет чаще при одном условии: как этого избежать
Новости
Суперкомпьютер Маска сжирает электричество как 300 000 домов: люди протестуют
Новости
Посмотрите, как робот стремительно отбивает подачи в настольном теннисе
Новости
Физики исполнили мечту алхимиков: свинец в коллайдере превратили в золото
Наука
Создано музыкальное приложение для реабилитации после инсульта
Наука
«Эффект аккордеона» превращает жесткий графен в эластичный материал
Наука
ИИ восстановил имя автора свитка, который пережил последний день Помпеи
Наука
Частный лунный модуль вышел на орбиту спутника после двух месяцев полета
Космос
Предок тираннозавра «иммигрировал» в Америку из Азии, считают ученые
Наука
Обновленный Gemini 2.5 Pro от Google возглавил рейтинг ИИ для разработчиков
Новости
Ученые решили проблему, которая мешала запуску термоядерных реакторов почти 70 лет
Наука
Китайское «супероружие» для подводных диверсий оказалось не таким, как считалось
Новости
Отключение мобильного интернета в Москве: какие последствия для бизнеса
Новости
Киберполиция назвала новые схемы мошенников: как они воруют аккаунты на «Госуслугах»
Новости
Хокинг предсказал гибель Земли: оказалось, НАСА сочло угрозу реальной
Наука
Создатель Ethereum признал свои ошибки и решил изменить криптовалюту
Новости
«Ред ОС 8» заработала на Arm-платформах — теперь и на «Байкале»
Новости
Компания Цукерберга использовала уязвимость подростков для рекламы
Новости