РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Простой атомный маятник поможет построить теорию всего

Физики уже давно пытаются «подружить» четыре фундаментальные силы в природе. Пока в квантовую теорию удалось вписать три из них — хорошо известное нам электромагнитное взаимодействие, слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивный распад, и сильное взаимодействие, удерживающее нейтроны и протоны в атомном ядре. С гравитацией так пока не получилось — разберемся, почему.
Простой атомный маятник поможет построить теорию всего
Pexels
Хотя общая теория относительности Эйнштейна, описывающая гравитацию как искривление пространства-времени, объясняет большинство гравитационных явлений, она терпит неудачу на микроуровне и не может объяснить, что же происходило во Вселенной при ее рождения — в момент Большого взрыва, когда её размер был меньше диаметра атома. Тут-то и должна помочь квантовая механика — именно она занимается описанием эффектов в настолько малых масштабах.
Содержание статьи

Расскажем простыми словами, как физики пытались подружить четыре взаимодействия и почему гравитационное взаимодействие стоит особняком.

Беда в том, что за последние 80 лет никто не смог дать описание гравитационного взаимодействия с точки зрения квантовой механики (даже Эйнштейн). Однако исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) предложили эксперимент, чтобы разрешить этот старинный спор и взяли два самых странных свойства квантовой теории.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Принцип суперпозиции

Согласно принципу суперпозиции, невозмущенная элементарная частица может быть описана как волна, которая с некоторой вероятностью может находиться в двух местах одновременно. Именно об этом говорит нам опыт с интерференцией электронов — поскольку электрон описывается волной, часть, которая проходит через одну щель, встречается с той частью, которая проходит через другую щель, и возникает хорошо известный узор из ярких и темных полос (интерференционная картина).

Квантовая запутанность

Второе странное свойство квантовой теории — квантовая запутанность. Две частицы могут быть настолько сильно взаимосвязаны, что ведут себя как единое целое и попытка узнать свойства одной из частиц автоматически меняет свойства другой, даже если частицы находятся на расстоянии многих тысяч световых лет.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как физики описывают взаимодействия

В квантовой теории взаимодействие описывают через частицы-переносчики. Их называют «квантами поля», или, более корректно, калибровочными бозонами. Например, переносчик электромагнитного взаимодействия — фотон. И действительно, именно фотоны соответствуют электромагнитным волнам (в том числе световым). 
Проблема в том, что для гравитационного взаимодействия калибровочный бозон так и не был найден, поэтому такое взаимодействие описывают гипотетической частицей, называемой гравитоном. 

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Если гравитон действительно существует, для тел в поле тяжести должно наблюдаться явление квантовой запутанности — так же, как оно наблюдается для двух фотонов.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

Как поможет маятник?

В эксперименте, придуманном в Национальном институте стандартов и технологий (NIST), используется холодное облако атомов, заключенное внутри атомного интерферометра. Согласно принципу суперпозиции, если каждый атом в облаке находится в чистом невозмущенном квантовом состоянии, его можно описать как волну, равновероятно находящуюся как в левом, так и в правом плече интерферометра. Эти две части волны образуют интерференционную картину. Если гравитация как-то повлияет на атомы, мы сразу это увидим по изменениям интерференционной картины.

На выходе интерферометра подвешена небольшая «пробная масса» — маятник. Исследователи планируют наблюдать её отклонения — нужно проверить, действительно ли гравитация может вызвать квантовую запутанность между маятником и атомом.

РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ

«Распутывание» частиц

Если гравитация вызывает квантовую запутанность, маятник будет связан с определенным местоположением атома — «пробная масса» качнётся влево или вправо, в зависимости от того, в левом или в правом плече интерферометра находится атом.

Это будет означать, что маятник измерил местоположение атома, точно указав его определенную позицию внутри интерферометра. Поскольку атом больше не находится в суперпозиции (его местоположение точно определено и он со 100% вероятностью находится в левом или правом плече), интерференционная картина должна ослабнуть.

Спустя полпериода, когда маятник вернется в положение равновесия, «память» о запутанности потеряется, а значит, интерференционная картина восстановится. Спустя ещё полпериода колебания история повторится. 

Такой эксперимент крайне сложно провести — авторы надеются провести его хотя бы через десять лет, однако прототип уже скоро будет готов.

Какое взаимодействие не подружилось с квантовой теорией?
Сильное
Гравитационное
Слабое
Электромагнитное
Юрий Харитонов
Юрий Харитонов 03 Октября 2021, 23:08
Физика элементарных частиц всё больше и дальше впадает в алхимию. Всем смотреть старый фильм "Пекарь императора"
Александр Макеев
Александр Макеев 14 Сентября 2021, 10:14
Эйнштейн запретил существовать вакууму как материи (хотя вселенная существует такой, какая она есть на самом деле, а не в фантазиях и сказках хоть Эйнштейна, хоть Леметра с Гамовым...). Но как раз материальность вакуума является внешним фактором инерции, массы, гравитации, электростатики и магнетизма и ещё кое-чего... Достаточно признать реальностью то, что объём пространства вакуума это хаос очень быстрого движения относительно друг друга отдельностей неплотной материи вакуума. Тогда понятно, что налетая на объекты вещества, отдельности материи вакуума оказывают давление на объекты. И относительно близко расположенные объекты придавливаются друг к другу по проекции взаимной тени в неплотной динамичной неплотной материи вакуума пропорционально массе объектов и обратно пропорционально квадрату расстояния между объектами. И следует признать, что хаос движения отдельностей неплотной материи вакуума (споры, амеры, экзистенсино вакуума) неотвратимо малую их часть самофокусирует и сжимает в виртуальные (химерные, неполноценные) частицы, которые в близи с уже существующими нейтронами, протонами, ядрами атомов квантовым туннелированием формирует в реальные новые атомные единицы массы вещества в форме новых нейтронов. Получается, что работа процесса бытия неплотной и плотной материи вселенной рождает новые порции отдельностей неплотной материи вакуума в форме вихрей струн электростатики и магнетизма эвира из плотной материи вещества уже существующих нейтронов, протонов, ядер атомов и электронов. Что увеличивает объём пространства вакуума и эвира космоса на удвоенную величину Объёмно-Массовой Постоянной Хаббла. И работа процесса бытия неплотной материи и плотной материи половину от прирастающего объёма пространства вакуума и эфира самофокусирует и сжимает в новые нейтроны. Таким образом, объём пространства неплотной материи вакуума и эира и масса плотной материи вещества равно пропорционально прирастают на одну Объёмно-Массовую Постоянную. Хаббла (6,591*10^-18 в секунду). Подробнее об этом изложено в доступной в интернете научной публикации: Макеев. Самовоспроизводство материи // Materials of the international scientific-practical conference: "Prospects for the Development of Modern Science" – Jerusalem, Israel: Regional Academy of Management, 2016. – 535 p. P. 213-220. UDC 001.18 BBC 72 P 93 ISBN 978-601-267-398-2
Михаил Профсоюз
Михаил Профсоюз 14 Сентября 2021, 06:50
В своей книге "закон распределения м перераспределения энергии" В. А. Архипов вывел формулу взаимосвязи гравитации и остальных взаимодействий. Книга есть в инете.
Евгений Алёхин
Евгений Алёхин 11 Сентября 2021, 05:37
Как можно не понимать простой вещи? Гравитация это НЕ поле, наподобие электромагнитного. Гравитационное взаимодействие это прямое следствие искажения пространственно-временного континуума и оно тем сильнее, чем больше масса объекта. Поэтому возле чёрной дыры и гравитация и искривление пространства-времени максимальны.
Загрузка статьи...