Определение течения времени в нашем мире, где тикают часы и качаются маятники, — это просто подсчёт секунд между «тогда» и «сейчас», говорит Йорик со ссылкой на ScienceAlert.
Однако на квантовом уровне, где «жужжат» электроны, момент «тогда» не всегда можно предсказать. Ещё хуже то, что «сейчас» часто размывается в туман неопределённости. В некоторых случаях секундомер просто не сработает.
Потенциальное решение может заключаться в самой форме этого квантового тумана, как показало исследование 2022 года, проведённое учёными из Уппсальского университета в Швеции.
Посмотрите видео ниже, чтобы ознакомиться с кратким изложением их результатов.
Их эксперименты, посвящённые волновой природе так называемого состояния Ридберга, выявили новый способ измерения времени, который не требует точной отправной точки.
Атомы Ридберга — это словно перекачанные шары в мире частиц. Раздутые не воздухом, а лазерами, эти атомы содержат электроны в чрезвычайно высокоэнергетических состояниях, вращающихся далеко от ядра.
Визуализация атома Ридберга. (Berndthaller/CC BY-SA 4.0/Wikimedia Commons)
Конечно, не каждый импульс лазера раздувает атом до карикатурных размеров. На деле лазеры часто используются, чтобы «пощекотать» электроны и перевести их в более высокие энергетические состояния для самых разных целей.
В некоторых экспериментах второй лазер применяется для отслеживания изменений положения электрона — в том числе для измерения времени. Такие методы, известные как «pump-probe» (накачка-зондирование), позволяют, например, измерять скорость работы ультрабыстрой электроники.
Возбуждение атомов до состояний Ридберга — полезный приём для инженеров, особенно при создании новых компонентов для квантовых компьютеров. Неудивительно, что физики накопили обширные знания о том, как ведут себя электроны, когда их переводят в ридберговское состояние.
Однако, будучи квантовыми существами, электроны движутся не как бусины, скользящие по счётам, а скорее как шарик на рулетке, где каждое вращение и прыжок сводятся к единой игре случая.
Математические законы, управляющие этой «ридберговской рулеткой электронов», называются ридберговским волновым пакетом.
И, как настоящие волны, несколько ридберговских волновых пакетов, накладываясь друг на друга, создают интерференцию — уникальные узоры ряби.
Если «забросить» в одно атомное «озеро» достаточно таких пакетов, каждый из возникающих узоров будет отражать уникальное время, за которое волновые пакеты эволюционируют относительно друг друга.
Именно эти самые «отпечатки» времени физики, стоявшие за серией экспериментов, решили проверить, показав, что они достаточно устойчивы и надёжны, чтобы служить формой квантовой отметки времени.
В своём исследовании они измеряли результаты воздействия лазера на атомы гелия и сопоставляли полученные данные с теоретическими моделями, чтобы показать, как характерные сигналы могут использоваться для определения промежутков времени.
«Если вы пользуетесь счётчиком, нужно определить ноль. Вы начинаете отсчёт с какого-то момента», — объяснила физик Марта Берхольтс из Уппсальского университета в Швеции, возглавившая команду, в интервью New Scientist в 2022 году.
«Преимущество этого метода в том, что вам не нужно запускать часы — вы просто смотрите на структуру интерференции и говорите: “Окей, прошло 4 наносекунды.”»
Справочник по эволюции ридберговских волновых пакетов может использоваться в сочетании с другими формами спектроскопии «pump-probe», которые позволяют измерять процессы в микромасштабе — когда «тогда» и «сейчас» не так очевидны или просто слишком неудобны для фиксации.
Важно то, что ни один из этих «отпечатков» не требует наличия начала и конца как точек отсчёта времени. Это похоже на измерение дистанции неизвестного бегуна, сравнивая его с другими спортсменами, бегущими с заданной скоростью.
Наблюдая характерные сигналы интерференции ридберговских состояний среди атомов, подвергнутых методу «pump-probe», специалисты могут определить временные метки для событий, длительностью всего 1,7 триллионной доли секунды.
В будущих экспериментах по созданию квантовых часов гелий можно будет заменить другими атомами или использовать лазерные импульсы с разной энергией, чтобы расширить «справочник временных меток» и применять его в более широком диапазоне условий.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.
Более ранняя версия этой статьи вышла в октябре 2022 года.
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
