Een ultraprecieze klok verbindt de kwantumwereld met zwaartekracht

De tijd bleek anders te verlopen tussen de boven- en onderkant van een enkele wolk van atomen. Natuurkundigen hopen dat een dergelijk systeem hen ooit zal helpen de kwantummechanica en Einsteins zwaartekrachttheorie te combineren.

De beruchte tweelingparadox stuurt de astronaut Alice op een razendsnelle ruimtereis. Wanneer ze terugkeert om zich te herenigen met haar tweelingbroer, Bob, merkt ze dat hij veel sneller ouder is geworden dan zij. Het is een bekend maar verbijsterend resultaat: de tijd vertraagt ​​​​als je snel beweegt.

De zwaartekracht doet hetzelfde. De aarde – of een ander massief lichaam – vervormt de ruimte-tijd op een manier die de tijd vertraagt, volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Als Alice haar leven op zeeniveau zou leven en Bob op de top van de Everest, waar de aantrekkingskracht van de aarde iets zwakker is, zou hij weer sneller verouderen. Het verschil op aarde is bescheiden maar reëel – het is gemeten door atoomklokken op bergtoppen en valleibodems te plaatsen en het verschil tussen de twee te meten.

Natuurkundigen zijn er nu in geslaagd om dit verschil tot op de millimeter nauwkeurig te meten. In een artikel dat eerder deze maandop de wetenschappelijke preprint-server arxiv.org werd geplaatst, maten onderzoekers van het laboratorium van Jun Ye , een fysicus bij JILA in Boulder, Colorado, het verschil in het tijdsverloop tussen de bovenkant en de onderkant van een millimeter -hoge wolk van atomen.

Het werk is een stap in de richting van het bestuderen van natuurkunde op het snijvlak van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica, twee theorieën die zogenaamd onverenigbaar zijn. De nieuwe klok neemt een fundamenteel kwantumsysteem – een atoomklok – en verstrengelt het met de aantrekkingskracht van de zwaartekracht.

In het experiment gebruikte Ye’s team een ​​optische roosterklok, een wolk van 100.000 strontiumatomen die gekieteld kan worden door een laser. Als de frequentie van de laser precies goed is, zullen de elektronen die rond elk atoom draaien, worden geëxciteerd naar een hogere, meer energetische baan. Omdat slechts een klein bereik van laserfrequenties de elektronen motiveren om te bewegen, levert het meten van deze frequentie een uiterst nauwkeurige meting van de tijd op. Het is als een kwantum grootvaderklok, waarbij het tikken afkomstig is van de oscillaties van het laserlicht in plaats van de zwaai van een slinger.

De atoomklok in het laboratorium van Jun Ye is voorzien van een blauwe laserstraal die een wolk strontiumatomen in het ronde venster opwekt.

De onderzoekers verdeelden hun klok in tweeën – ze keken naar hun wolk op een camera en tekenden vervolgens twee denkbeeldige dozen rond de bovenste en onderste helften. Vervolgens vergeleken ze de tikkende frequentie van de bovenste en onderste helften en ontdekten dat de tijd die de atomen aan de bovenkant van de wolk ervaren, 0,00000000000000000001% korter is dan de tijd die de atomen aan de onderkant ervaren.

Door de specifieke manier waarop ze de verschuiving hebben gemeten – door twee delen van dezelfde wolk te vergelijken – konden ze veel ruis opheffen dat beide delen gemeen hadden. Het is als het meten van een zeilboot in ruwe zee. Zelfs als het onvoorspelbaar op en neer slingert, blijft de afstand tussen de kiel en mast altijd constant. Terwijl een klok gemaakt van een wolk van atomen kan afdrijven door een aantal dingen – elektrische velden, magnetische velden, het laserlicht zelf, warmte uit de omgeving – blijft het verschil in frequenties tussen de boven- en onderkant van de wolk hetzelfde. Het meten van dat verschil onthulde het effect van de zwaartekracht. “Dat is niet triviaal om te doen”, zegt Andrew Ludlow , een atoomklokexpert bij het National Institute of Standards and Technology, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Volgens de preprint is deze demonstratie een stap in de richting van het bestuderen van de unie van de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica. (De auteurs weigerden te worden geïnterviewd totdat het artikel in een peer-reviewed tijdschrift is gepubliceerd.)

Relativiteit beschrijft een ruimte-tijd waarin objecten goed gedefinieerde eigenschappen hebben en voorspelbaar van de ene locatie naar de andere bewegen. In de kwantumtheorie daarentegen kan een object zich in een “superpositie” van veel eigenschappen tegelijk bevinden, of het kan plotseling naar een bepaalde locatie springen. Deze twee beschrijvingen komen goed overeen met hun respectievelijke realiteitsgebieden, maar ze zijn incongruent wanneer ze samen worden genomen.

Dus wat gebeurt er als zowel kwantummechanica als relativiteit nodig zijn om een ​​fenomeen te beschrijven?

Neem het geval waarin een massief object tegelijkertijd in een superpositie van twee mogelijke locaties wordt geplaatst. De algemene relativiteitstheorie zegt dat elk object met massa het weefsel van ruimte-tijd moet buigen. Maar wat als dat object zich in een superpositie bevindt? Bevindt de geometrie van ruimte-tijd zich ook in een superpositie?

Om dergelijke vragen te bestuderen, zijn natuurkundigen altijd op zoek naar systemen waarbij zowel zwaartekracht als kwantummechanica belangrijk zijn. “Klokken zijn zeker een van de meest veelbelovende systemen om dit soort functies te testen”, zegt Flaminia Giacomini , een theoretisch natuurkundige aan het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada. Klokken staan ​​van nature op de grens tussen kwantummechanica en relativiteit. Ze vertellen tijd, wat een inherent relativistisch concept is. Ze zijn ook fundamenteel kwantum: de manier waarop de elektronen van het ene energieniveau naar het andere gaan, is door door een superpositie van beide niveaus te gaan.

Als het team van Ye de gevoeligheid van hun klok met ongeveer een factor 10 verbetert – over een paar jaar, met het huidige tempo van verbetering – kunnen ze beginnen met het zoeken naar zwaartekrachtseffecten in het gedrag van hun atomen. De eerste tekenen hiervan zouden verschijnen in een proces dat decoherentie wordt genoemd.

Decoherentie is verantwoordelijk voor de overgang van de vreemde wereld van de kwantummechanica naar de gewone wereld van de alledaagse ervaring. Elke keer dat de omgeving interageert met een kwantumsysteem, kan het worden gezien als een kleine meting aan het systeem – een manier voor de omgeving om iets over het kwantumsysteem te leren en zijn ‘kwantumheid’ te vernietigen. Natuurkundigen zijn erg goed geworden in het afschermen van hun kwantumexperimenten tegen alles in de omgeving dat hen zou kunnen storen. Maar ze kunnen ze niet beschermen tegen de zwaartekracht.

VERWANT:


  1. Het nieuwe thermodynamische begrip van klokken
  2. Quantum Mischief herschrijft de wetten van oorzaak en gevolg
  3. Stroomt de tijd echt? Nieuwe aanwijzingen komen uit een eeuwenoude benadering van wiskunde.

Terwijl de atomen in Ye’s klok op en neer bewegen in de wolk en een variatie in de tijdstroom ervaren, zal de zwaartekracht de manier veranderen waarop ze met elkaar omgaan en een waarneembare verandering in hun dynamiek veroorzaken. Het zal nog steeds niet per se kwantumzwaartekracht zijn, waarbij zwaartekracht wordt gekwantificeerd in fundamentele deeltjes die gravitonen worden genoemd. Maar het zou een waardevol voorbeeld zijn van kwantummechanica en verwevenheid van zwaartekracht om een ​​nieuw fenomeen te veroorzaken.

“Wat ons ook kan helpen om te leren welk soort gedrag de zwaartekracht heeft wanneer zowel kwantum- als zwaartekrachteffecten een rol spelen, ik denk dat het zeer, zeer nuttig zal zijn voor toekomstig onderzoek,” zei Giacomini.

  • dit artikel werd gepubliceerd door quantamagzine.org.

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: