Ультрахолодные атомы вращают время: эксперименты, которые могут переписать законы физики

В начале XX века Альберт Эйнштейн доказал, что время не является константой. Оно способно растягиваться и сжиматься в зависимости от скорости движения и силы гравитации. Но что если эти же эффекты можно обнаружить не в гигантских космических масштабах, а в микромире — среди атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля?

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Квантовый атом

Современные учёные близки к тому, чтобы впервые увидеть, как теория относительности проявляется в квантовом мире. Исследователи нашли способ заставить ультрахолодные атомы вращаться с колоссальной точностью, создавая нечто вроде миниатюрных "чёртовых колёс" из света. Именно эти структуры могут стать ключом к проверке Эйнштейна на новом уровне.

Световые "чёртовы колёса" и танец атомов

Эксперимент строится вокруг ловушек из лазерного света, которые физики называют "оптическими решётками". Они работают как микроскопические тюрьмы для атомов: удерживают частицы в нужной точке, позволяя управлять их движением и даже вращением.

"Крошечные "чертовы колеса", сделанные из лёгких и чрезвычайно холодных частиц, могут позволить исследователям проверить один из аспектов теории относительности Альберта Эйнштейна в беспрецедентно малых масштабах", — отметила журналист Кармела Падавик-Каллаган.

Чтобы частицы не "разбежались", их охлаждают до температур, близких к абсолютному нулю (минус 273,15 °C). В этом состоянии они теряют почти всю энергию движения и начинают вести себя как единое квантовое целое. Управляя направлением и скоростью вращения таких атомов, физики могут буквально "поставить" время на измерение.

От Эйнштейна к атомам

Теория относительности утверждает, что чем быстрее движется объект, тем медленнее для него течёт время. Этот эффект наблюдали на спутниках, космических аппаратах и даже в ускорителях частиц. Но до сих пор никто не проверял его в мире атомов и молекул — там, где законы квантовой механики становятся решающими.

Физик Василис Лембессис из Университета короля Сауда вместе с коллегами предложил провести подобный тест на новом уровне. Учёные хотят заставить атомы двигаться по кругу и посмотреть, изменится ли для них время так же, как это предсказывает Эйнштейн. Для этого они используют сложнейшие лазерные поля, создающие идеальные условия для квантового вращения.

Почему квантовая проверка важна

Если эксперимент подтвердит замедление времени на уровне отдельных атомов, это будет означать, что теория относительности работает не только в классической физике, но и в квантовой области. А если нет — человечеству придётся пересмотреть фундаментальные представления о природе времени и движения.

Это также может помочь соединить квантовую механику и теорию гравитации, которые пока существуют как две несовместимые главы одной книги. Учёные давно ищут способ объединить эти системы в единую теорию — и, возможно, именно ультрахолодные атомы подскажут, как это сделать.

Как проходит эксперимент

Каждая микросекунда в таких экспериментах имеет значение. Даже минимальное отклонение в поведении частиц может указать на новые физические эффекты, не описанные современной наукой.

А что если время поведёт себя иначе?

Если окажется, что вращающиеся атомы не замедляют своё время так, как предсказывает теория, это будет сенсацией. Возможно, квантовые системы подчиняются особым законам, в которых релятивистские эффекты действуют иначе. Тогда учёным придётся искать новые уравнения, связывающие пространство, энергию и время на фундаментальном уровне.

Плюсы и минусы метода

Советы шаг за шагом для физиков будущего

• Работайте с устойчивыми изотопами — рубидий, цезий и стронций дают наиболее стабильные результаты.
• Используйте системы активного охлаждения на основе лазеров с частотной стабилизацией.
• Применяйте магнитные экраны, чтобы защитить атомы от полей Земли.
• Контролируйте фазы лазерных импульсов с точностью до пикосекунд.
• Анализируйте результаты с помощью квантовых симуляторов, способных моделировать поведение атомов в реальном времени.

Мифы и правда

• Миф 1. Относительность — это только про космос.
• Правда: эффекты замедления времени наблюдаются и на Земле — даже в лабораторных экспериментах.
• Миф 2. Квантовые объекты слишком малы, чтобы подчиняться релятивистским законам.
• Правда: движение атома по кругу подчиняется тем же принципам, что и орбита планеты — масштаб не имеет значения.
• Миф 3. Подобные опыты ничего не дадут на практике.
• Правда: результаты могут лечь в основу новых квантовых часов и систем навигации, точность которых в тысячи раз выше GPS.

Интересные факты

• Самые холодные атомы в мире были получены при температуре 38 пикокельвинов — это в миллиарды раз холоднее космоса.
• Лазерные ловушки позволяют удерживать частицы без физического контакта — только силой света.
• Первые опыты с вращающимися атомами проводились ещё в 1990-х, но точности тогда не хватало, чтобы увидеть релятивистские эффекты.

FAQ

Как охлаждают атомы до таких температур?

С помощью лазеров, которые "тормозят" частицы, поглощая их энергию. Это называется лазерным охлаждением.

Зачем вообще проверять Эйнштейна снова?

Чтобы убедиться, что его теория работает везде — от галактик до атомов. Любое отклонение может привести к открытию новой физики.

Что это даст человечеству?

Точные квантовые часы, усовершенствованные системы связи и, возможно, понимание того, как работает время.

С момента публикации теории относительности прошло более ста лет. За это время учёные неоднократно подтверждали её в космосе, при столкновениях частиц и с помощью атомных часов. Но никогда прежде она не проходила проверку в столь малых масштабах. Эксперимент с ультрахолодными атомами может стать тем самым недостающим фрагментом головоломки, который соединит макро- и микромир.