فیزیکدانان دستگاه کوانتومی جدیدی را برای اندازه گیری چگونگی چرخش زمین به فضا-زمان پیشنهاد کردند

دانشمندان یک دستگاه رومیزی جدید پیشنهاد کرده‌اند تا نحوه دقیق چرخش روزانه زمین در محور خود را که فضا-زمان را به دور خود می‌پیچد، تشخیص دهد - اثری که توسط نسبیت عام اینشتین پیش‌بینی شده است.

اگر این حسگر ساخته شود، می‌تواند اثر کوانتومی معروف به کشیدن فریم را با همان دقتی که بهترین آزمایش‌های ماهواره‌ای انجام می‌دهد، اندازه‌گیری کند، اما محققان در یک مطالعه جدید به جای چند سال، در عرض چند دقیقه پیشنهاد کردند.

این تحقیق که در 17 سپتامبر در مجله Physical Review Letters منتشر شد، با هدف رسیدگی به عدم تطابق کلاسیک در فیزیک انجام شد. حلقه ای از ساعت ها را تصور کنید که به یک چرخ و فلک در حال چرخش پیچ شده اند. شما هر ساعت را با همسایه اش در اطراف حلقه همگام می کنید. سپس، ساعت آخر را با ساعت اول مقایسه کنید. مطابقت ندارند

کای-ایزاک الرز، دانشجوی فارغ التحصیل فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (UC Berkeley) و اولین نویسنده این مطالعه، به Live Science گفت: "همگام سازی مجموعه ای از ساعت ها زمانی که در یک قاب چرخان قرار دارید غیرممکن است."

جاذبه یک کشش است

عکسی از دانشمندانی که در سال 2003 بر روی کاوشگر گرانشی B ناسا کار می کردند. این دستگاه کشش قاب زمین از فضا را اندازه گیری کرد و پیش بینی های اینشتین را با 18 درصد حاشیه خطا تأیید کرد. (اعتبار تصویر: ناسا) نظریه نسبیت عام انیشتین پیش‌بینی می‌کند که یک جسم عظیم و در حال چرخش، تار و پود فضا-زمان را با خود می‌کشد، درست مانند قاشقی که در عسل می‌چرخد. این اثر به وضوح در اطراف اجرام پرجرم مانند سیاهچاله مرکزی راه شیری قابل مشاهده است. اما در اطراف زمین، این اثر بسیار ضعیف است.

تا کنون، دانشمندان قاب زمین را که فقط از مدار کشیده می شود، اندازه گیری کرده اند. آنها ردیابی کردند که چگونه چرخش فضا-زمان به آرامی ژیروسکوپ های چرخان یا مسیرهای ماهواره ها را تغییر می دهد. در سال 2011، ماهواره Gravity Probe B ناسا که دارای چهار ژیروسکوپ بود، پیش بینی انیشتین را با حاشیه خطای حدود 18 درصد تأیید کرد. ماهواره هایی که با لیزر ردیابی می شوند از آن زمان حتی بهتر عمل کرده اند. در ماه جولای، محققان در مجله Nature گزارش دادند که ماهواره LARES-2 این حاشیه خطا را به تنها 0.2٪ کاهش داده است.

با این حال، ردیابی لیزری حدود سه سال طول کشید. محققان همچنین باید این واقعیت را در نظر می گرفتند که زمین در استوا برآمده می شود و جرم آن به طور ناهموار پخش می شود، که به گرانش سیاره بی نظمی های کوچکی منجر می شود که ماهواره ها را بسیار قوی تر از کشیدن فریم می کشد. برای تفریق این یدک کش ها، این تیم به نقشه های دقیق گرانش زمین که توسط ماهواره های دیگر ساخته شده بود، تکیه کردند.

اندازه گیری دقیق تر کشیدن فریم راهی برای تست استرس نسبیت عام است. الرز گفت که چندین نظریه جایگزین گرانش مقدار کمی متفاوت از پیچش را پیش‌بینی می‌کنند و یک اندازه‌گیری مبتنی بر آزمایشگاه نیز از مفروضات مدل‌سازی که آزمایش‌های ماهواره‌ای به آن بستگی دارد، خالی است.

یک حلقه کوانتومی

دستگاه جدید حلقه‌ای از هلیوم-4 ابر سیال است - هلیوم تا زمانی که بدون اصطکاک جریان پیدا کند و مانند یک جسم کوانتومی غول‌پیکر عمل کند سرد می‌شود. این حلقه توسط یک مانع نازک پر از سوراخ های کوچک، به نام اتصال جوزفسون، قطع می شود. هلیوم فوق سیال می تواند از سوراخ ها بلغزد، اما هلیوم مایع معمولی نمی تواند.

K. Birgitta Whaley، فیزیکدان کوانتومی در دانشگاه کالیفرنیا برکلی و یکی از نویسندگان این مطالعه، می‌گوید: «رفتار کوانتومی از آنجا ناشی می‌شود.

همانطور که زمین می‌چرخد و فضا-زمان را می‌کشد، حالت کوانتومی هلیوم را که از طریق اتصال جریان می‌یابد، تحت فشار قرار می‌دهد. این تکان دادن فرکانس حرکت هلیوم به جلو و عقب در حلقه را تغییر می دهد که محققان می توانند آن را تشخیص دهند.

تصویری از میدان گرانشی ناهموار زمین که توسط بازیابی گرانشی و آزمایش آب و هوای ناسا در سال 2009 انجام شد. توده بودن میدان گرانشی سیاره ما، اندازه گیری دقیق اثرات نسبیتی را دشوارتر می کند. (اعتبار تصویر: ناسا) دستگاه های ابرسیال، که بسیاری از آنها در UC برکلی ساخته شده اند، چرخش زمین را از اواخر دهه 1990 شناسایی کرده اند.

اما نسخه های هلیوم-4 ساخته شده در اطراف اتصال جوزفسون، مانند طرح جدید، در حدود یک صدم درجه 2.17 کلوین (منهای 455.76 فارنهایت یا منفی 270.98 درجه سانتیگراد) کار کرده اند، دمایی که در آن هلیوم-4 به یک ابر سیال تبدیل می شود. در آن دما، کسری از هلیوم «معمولی» که با ابر سیال مخلوط شده، نویز می‌افزاید.

در عوض، تیم محاسبه کردند که دستگاه در چند هزارم درجه بالای صفر مطلق چگونه رفتار می کند. زیر 0.7 کلوین، نویز تغییر ماهیت داد و تیم متوجه شد که با سردتر شدن هلیوم به شدت افت می کند. الس گفت، یکی از یافته‌های کلیدی در مقاله جدید، نتیجه تجزیه و تحلیل نویز حرارتی این تیم است که نشان می‌دهد این دستگاه‌ها چقدر می‌توانند در دمای میلی‌کلوین حساس باشند.

گرفتن مانع است. دستگاه های هلیوم-4 قبلی از حفره هایی با عرض حدود 90 نانومتر استفاده می کردند. کار در این دماهای سرد به حفره های بسیار کوچک تری نیاز دارد، حدود 1 نانومتر - تقریبا به اندازه یک اتم هلیوم. کیت شواب، فیزیکدان در Caltech و یکی از نویسندگان این مطالعه، و همکارانش در حال توسعه چنین موادی هستند، اما آنها هنوز در یک حسگر کار ساخته نشده اند.

در صورت امکان، محققان محاسبه می کنند که دستگاه می تواند کشش فریم را با دقت 0.2 درصد در حدود 35 دقیقه اندازه گیری کند. آنها گفتند که اگر غشای ارتعاشی آن از کریستال های کم اتلاف، مانند کوارتز یا یاقوت کبود ساخته شده باشد، می تواند تا حدود یک ثانیه کاهش یابد.

داستان های مرتبط

در ابتدا، فیزیکدانان اتم‌های «آزاد برد» گریزان را شناسایی می‌کنند که یک نظریه قرن قدمت در مورد مکانیک کوانتومی را تأیید می‌کند.

نکات مطالعاتی نظری، «کریستال‌های» فضا-زمان می‌تواند منشأ برخی از سیاه‌چاله‌های کمیاب باشد.

"زمان در حال افزایش، کاهش یا حتی توقف بود": فیزیکدان با ساختن یک "جهان کوچک" در آزمایشگاه خود، یک نظریه کلیدی از زمان را نشان می دهد.

ویلی به لایو ساینس گفت: «به نظر می‌رسد این یک کشف بسیار غم‌انگیز است که در میلی‌کلوین، ما می‌توانیم به این حساسیت بالا دست پیدا کنیم.

سیگنال مربوط به اختلاف زمانی حدود 10 تا 35 ثانیه بین هلیوم است که از یک طرف در اطراف حلقه و طرف دیگر جریان می یابد - همان عدم تطابق ساعت ها در چرخ و فلک استعاری.

ویلی گفت: "نکته جالب در مورد آن این است که چقدر کوچک است." "این خیلی دور از زمان پلانک نیست"، حدود 10 تا 44 ثانیه، کوتاه ترین زمان قبل از شکست قوانین شناخته شده فیزیک. ویلی گفت که این آزمایش هنوز یک میلیارد برابر برای رسیدن به این حد بزرگ است. اما آزمایش‌های آتی هلیوم می‌تواند به بررسی این موضوع کمک کند که آیا زمان به آرامی جریان دارد، مانند یک سطح شیبدار، یا با جهش‌های کوچک و غیرقابل تقسیم، مانند فریم‌های یک فیلم، به جلو حرکت می‌کند.