Ученые объединили квантовую физику и гравитацию с помощью атомных часов

Команда ученых из США, Германии и Австрии предложила способ изучать влияние гравитации на квантовые системы. Они выяснили, что атомы в таких часах могут взаимодействовать друг с другом и даже синхронизировать свои колебания, несмотря на влияние гравитации. Это открытие указывает на глубокую связь между двумя теориями. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters (PRL), передает Day.Az со ссылкой на Gazeta.ru.

Физики более ста лет пытаются понять, как законы квантовой механики, управляющие микромиром, соотносятся с общей теорией относительности, описывающей гравитацию в масштабах Вселенной. Недавние исследования показали, что оптические атомные часы могут стать мощным инструментом для изучения этой фундаментальной проблемы.

Оптические атомные часы - одни из самых точных измерителей времени, работают за счет лазерного захвата атомов в особой структуре - оптической решетке. Эти атомы подвергаются воздействию квантовых эффектов, но при этом их ритм изменяется под действием гравитационного красного смещения, предсказанного Эйнштейном: в более сильном гравитационном поле время течет медленнее.

Группа исследователей под руководством профессоров Джуна Е и Аны Марии Рей разработала методики для изучения влияния гравитации на квантовую запутанность и взаимодействия в атомных часах. Оказалось, что гравитационные эффекты могут приводить к неожиданным явлениям, таким как синхронизация атомов и формирование запутанных состояний. Атомы, взаимодействуя друг с другом, могут синхронизировать свои колебания, несмотря на разницу во временных задержках, вызванных гравитационным красным смещением. Это открытие подтверждает, что квантовые взаимодействия могут компенсировать влияние гравитации, создавая единое согласованное поведение атомов.

Чтобы отличить гравитационные эффекты от других шумов, команда использовала методику "дрессировки" атомов, при которой лазерные импульсы изменяют их внутренние энергетические состояния. Это позволило точно настраивать гравитационное красное смещение и исключить влияние посторонних факторов, таких как магнитные поля.

Кроме того, ученые показали, что фотоны (частицы света), излучаемые атомами внутри оптической полости, могут обмениваться между атомами, вызывая коллективные взаимодействия. Эти взаимодействия приводят к синхронизации атомов и усиливают квантовую запутанность системы. Физики также обнаружили, что скорость синхронизации может служить индикатором уровня запутанности, что открывает новые перспективы для изучения фундаментальных взаимодействий в квантово-гравитационной области.