В начале XX века Альберт Эйнштейн понял, что пространство и время — это не разные вещи, а части одной системы, которую можно представить как единое «полотно». В специальной теории относительности он показал, что ход времени зависит от движения наблюдателя. Если объект движется очень быстро — почти со скоростью света — то для него время идет медленнее, чем для того, кто остается на месте. Это и называют замедлением времени.

Чуть позже, в общей теории относительности, физик объяснил гравитацию как искривление пространства-времени, из-за чего время течет медленнее вблизи массивных тел по сравнению с удаленными регионами (гравитационное замедление). 

Обе теории подтверждены экспериментально. Однако как ведут себя подобные релятивистские эффекты в странном и неуловимом квантовом мире — вопрос, который до сих пор остается открытым.

Международная группа физиков под руководством Вассилиса Лембессиса (Vassilis Lembessis) из Университета короля Сауда в Саудовской Аравии предложила революционный метод, который может перенести проверку относительности в новую область. Ученые намерены изучать вращение и течение времени для мельчайших контролируемых объектов — атомов и молекул, охлажденных до невероятно низких температур.

Речь идет о нескольких миллионных долях градуса выше абсолютного нуля. В таких экстремальных условиях квантовые свойства частиц, а также их движение, можно контролировать с высочайшей точностью с помощью лазерных лучей и электромагнитных полей.

Физики укротили загадочного «родственника» магнетизма

Ученые впервые смогли управлять одним из самых стойких и загадочных явлений в мире материалов — ферроаксиальностью. Для этого они использовали не обычные магниты, а специальные вихревые лазеры. Этот прорыв открывает путь к созданию компьютеров нового поколения с более быстрой, емкой и стабильной памятью.

Еще в 2007 году Лембессис и его коллеги разработали методику точной настройки лазерных лучей. Эта настройка позволяет удерживать атомы внутри формы цилиндра и заставляет их вращаться по кругу. Ученые назвали свою конструкцию «оптическим колесом обозрения». Новые расчеты команды показали, что эту же систему можно использовать для наблюдения за релятивистским замедлением времени, которое будут ощущать ультрахолодные частицы.

По словам Лембессиса, хотя сама методика оптического колеса применима к различным ультрахолодным частицам — как к отдельным атомам, так и к молекулам — именно молекулы азота представляют собой идеального кандидата для проверки эффекта замедления времени. Внутри каждой такой молекулы движутся электроны. Это движение можно рассматривать как тики крошечных внутренних часов. Исследователи рассчитывают обнаружить сдвиг в частоте этих тиков.

Лембессис отметил, что эксперименты со «световым колесом обозрения» до сих пор проводили довольно редко. Поэтому новое предложение открывает дверь в неизведанную область. Оно позволяет проверить теорию относительности в уникальных условиях, где могут проявиться новые, неожиданные эффекты. Например, квантовая природа ультрахолодных частиц может поставить под сомнение так называемую «гипотезу часов». Этот фундаментальный постулат определяет, насколько именно ускорение часов влияет на их ход.

Статья по теме: Холодные атомы не поддались энтропии и отказались нагреваться

Одно из ключевых преимуществ метода — возможность наблюдать релятивистское замедление времени без необходимости разгонять частицы до околосветовых скоростей в линейном ускорителе. Вместо этого эффект достигается за счет центростремительного ускорения при вращении и фиксируется с помощью невероятно точных «атомных часов» — внутренних электронов молекул.

«Невероятная точность атомных часов позволяет сделать изменение времени, которое „ощущают“ атомы на колесе обозрения, заметным. Кроме того, поскольку ускоренные атомы не улетают далеко, у ученых будет достаточно времени, чтобы измерить это изменение», — пояснил Лембессис.

Ученый добавил, что изменение фокусировки лазерных лучей позволит контролировать размер самого оптического колеса, удерживающего частицы. Таким образом, можно будет тестировать эффект замедления времени при разных радиусах вращения и разных ускорениях. 

Физики отследили одиночный электрон за рекордное время

Обычный ток в проводнике течет миллиардами электронов. Но что если научиться управлять каждым из них по отдельности? Британские физики приблизились к этой задаче, поймав одиночный электрон за ничтожные триллионные доли секунды. Их эксперимент обещает изменить будущее электроники.

Однако эксперимент ждут и серьезные технические вызовы. Главный из них — избежать нагрев частиц и не дать им выйти из-под контроля во время вращения. Малейшее повышение температуры разрушит хрупкую конструкцию и сделает наблюдения невозможными.

Если оптическое колесо действительно позволит зафиксировать изменение хода времени в квантовом масштабе, это станет одним из самых ярких подтверждений теории относительности за последние десятилетия — и, возможно, откроет дорогу к новому взгляду на фундаментальные физические законы.

Научная работа опубликована в журнале Physical Review A.