Эксперимент С Запутанными Атомными Часами Может, Наконец, Дать Подсказки На Теорию Всего

Одной из самых больших проблем в современной физике является сочетание квантовой механики и общей теории относительности. Новый эксперимент может, наконец, дать некоторые ответы.

Новый эксперимент с участием сети запутанных атомных часов может, наконец, помочь нам проверить, как квантовая механика соответствует общей теории относительности.

Квантовая механика - это наше лучшее понимание Вселенной в атомных и субатомных масштабах. С его помощью мы произвели революцию в нашем понимании физики в крошечных масштабах. Общая теория относительности - впервые изложенная Альбертом Эйнштейном в 1915 году - тем временем является нашим лучшим пониманием гравитации. Согласно теории, которая до сих пор прошла все испытания, которые мы ей бросили, гравитация - это не сила, а результат кривизны пространства-времени вокруг материи.

Но вот кикер; они плохо играют вместе.

«Квантовая физика опирается на две простые идеи: точечные частицы не имеют смысла; и принцип неопределенности Гейзенберга, который гласит, что никогда не может знать значение определенных пар величин с абсолютной точностью — например, положение и скорость частицы. Это связано с тем, что частицы следует считать не точками, а как волнами; в небольших масштабах они ведут себя как волны материи", - объясняют Валерио Фараони, профессор физики и астрономии в Университете Бишопа, и Андреа Джусти, доктор философии в Швейцарском федеральном технологическом институте Цюрихе, в статье для The Conversation.

"Этого достаточно, чтобы понять, что теория, которая охватывает как общую теорию относительности, так и квантовую физику, должна быть свободна от таких патологий. Однако все попытки объединить общую теорию относительности и квантовую физику обязательно вводят отклонения от теории Эйнштейна».

К ним относятся математические несоответствия, которые не имеют физического смысла и, вероятно, говорят нам, что наше понимание гравитации или квантовой механики нуждается в уточнении.

Точное изучение того, как пространственно-временное искривизна влияет на квантовую механику, может помочь нам объединить две теории. Но разработка такого эксперимента хлопотна, в первую очередь из-за того, насколько слаба гравитация в качестве силы по сравнению с другими тремя фундаментальными силами.

"Квантовые гравитационные эффекты широко считались недоступными в эксперименте, потому что для того, чтобы сделать их сопоставимо большими с другими квантовыми эффектами, требуется чрезвычайно высокая плотность энергии", - объясняет немецкий физик-теоретик Сабина Хоссенфельдер на своем сайте.

"Этот аргумент, однако, игнорирует то, что квантовые эффекты гравитации также могут стать актуальными для массивных объектов в квантовых суперпозициях. Как только мы сможем измерить гравитационное тягу объекта, который находится в суперпозиции двух разных мест, мы сможем определить, находится ли гравитационное поле также в квантовой суперпозиции».

В новой статье Игоря Пиковского из Технологического института Стивенса, Джейкоба Кови из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейн и Йоханнеса Боррегарда из Гарвардского университета команда предлагает способ, которым мы могли бы проверить, как гравитация и квантовый мир играют друг с другом.

"Взаимодейство между квантовой теорией и гравитацией является одной из самых сложных проблем в физике сегодня, но также увлекательной", - объяснил Пиковски в своем заявлении. «Квантовые сети помогут нам впервые проверить это взаимодействие в реальных экспериментах».

Идея заключается в том, чтобы использовать запутанные атомные часы, расположенные на расстоянии километра друг от друга. Пока они находятся в суперпозиции, часы будут испытывать разные временные потоки (результат находя в разных позициях относительно гравитационного поля Земли), что потенциально позволит нам впервые увидеть, как квантовая механика и изогнутое пространство-время работают вместе.

"Наш протокол основан на двух последних технологиях - оптических атомных часах и квантовых сетях - которые разрабатываются для распределения квантовой запутанности на большие расстояния", - объясняет команда в своей статье.

"Мы показываем, что можно делокализовать единые оптические атомные часы в трех местах с разделением в километровом масштабе на основе использования квантовых сетевых узлов, состоящих из атомных массивов. Каждая пара узлов может совместно делить запутанные пары Bell по требованию. Затем эволюция часов делокализуется на всех трех узлах, и они записывают разное время из-за наличия гравитационного поля. Последующая квантовая телепортация в один узел позволила бы нам наблюдать трехузловую интерференцию между всеми тремя временами, показав, как квантовые помехи, дилатация времени и кривизна пространства-времени все переплетаются».

Хотя в настоящее время это всего лишь предложение, проведение эксперимента может стать огромным шагом на пути к объединению квантовой механики и общей теории относительности. В принципе, мы еще не знаем, как это сделать, поэтому результаты, если эксперимент будет проведен, будут огромным дагом для физики.

"Мы предполагаем, что квантовая теория существует везде, но мы действительно не знаем, правда ли это", - добавил Пиковски. "Возможно, гравитация меняет работу квантовой механики. На самом деле, некоторые теории предполагают такие модификации, и квантовая технология сможет это проверить».