Lietuvos, Lenkijos ir Ispanijos fizikai jame aprašo, kaip galima apeiti Heizenbergo neapibrėžtumo ir Pauli draudimo principus itin šaltose atomų dujose ir sukurti vadinamąsias suspaustas koherentines būsenas, kurios leis dar tiksliau išmatuoti laiką optiniuose laikrodžiuose.
Neaiški ir prieštaringa tikrovė
Didelių, matomų objektų pasaulyje mes pripratome prie nuspėjamumo: jei žinome konkretaus kūno padėtį ir jo judesio kiekį, pagal Niutono lygtis galime apskaičiuoti jo trajektoriją ir pasakyti, kur tiksliai šis kūnas bus tam tikru metu.
Tokie objektai vadinami klasikiniais. Tačiau, jei tiriame mikroskopinių matmenų daleles, pavyzdžiui, atomus arba molekules, pasireiškia jų banginė (kvantinė) prigimtis ir „klasikinis“ nuspėjamumas tampa nebetinkamas. Taip yra dėl fizikos dėsnių, o ne dėl mūsų matavimo prietaisų netikslumo.
Dalelių banginės prigimtis lemia tai, kad neįmanoma 100 proc. tikslumu nustatyti dalelės padėties; galime tik nustatyti tikimybę, kad dalelė bus tam tikrame erdvės taške. Ši tikimybė yra nulemta dalelės kvantinės būsenos.
Neapibrėžtumo principas
Kvantinės objektų prigimties padarinys yra Heizenbergo neapibrėžtumo principas. Ką jis sako? Jis teigia, kad vieno matavimo metu yra neįmanoma nustatyti dalelės padėties ir greičio (arba judesio kiekio). Kuo tiksliau bandysime išmatuoti dalelės padėtį, tuo mažiau žinosime, kokiu greičiu dalelė judėjo iki matavimo. Jei bandytume nustatyti, kaip greitai skriejo dalelė, prarastume tikslumą bandydami sužinoti, kur dalelė buvo.
Kvantinė dalelė gali būti įvairių būsenų. Vadinamosios koherentinės būsenos dalelės padėties ir judesio kiekio matavimų neapibrėžtumai yra vienodi. Tačiau galimos ir vadinamosios suspaustos kvantinės būsenos, kai vieno matavimo (pvz., padėties) neapibrėžtumas sumažėja, o kito matavimo (pvz., judesio kiekio) neapibrėžtumas padidėja. Daugybė šiuolaikinių mokslinių tyrimų siūlo naudoti kvantinius efektus, kurie leidžia padidinti tam tikros vertės matavimo tikslumą, pasitelkiant kvantinį suspaudimą.
Itin tikslių laikrodžių tiksėjimas
Atomai naudojami tiksliausiuose laikrodžiuose, kuriuose laiko vieneto (sekundės) matavimas pagrįstas atominių virpesių, nusakomų energijos skirtumo tarp dviejų atomo būsenų, matavimu. Laboratorijose atomai (pvz., cezio atomai) yra atšaldomi iki temperatūros, artimos absoliučiam nuliui (t. y. nanokelvinų eilės). Tuomet išmatuojamas atomų, esančių aukštesnės ir žemesnės būsenos, energijos skirtumas ir taip nustatomas atomų perėjimo dažnis.
Tai yra šiuolaikinio laiko vieneto apibrėžimo pagrindas. Kuo tiksliau išmatuojamas atominis perėjimo dažnis, tuo tiksliau galime išmatuoti laiko tiksėjimą. Šiuo metu atominiai laikrodžiai pasiekia maždaug dešimtosios nanosekundės tikslumą per dieną, o tai reiškia, kad atominis laikrodis gali vėluoti viena sekunde per 300 milijonų metų. Mokslininkams negana ir jie vis dar bando pagerinti šį nuostabų tikslumą.
Kam reikia tokio tikslaus laiko matavimo?
Vienas iš paprasčiausių atsakymų, kam reikalingas itin tikslus laiko matavimas, yra susijęs su GPS (padėties nustatymo sistemų), kurias naudojame kasdieniame gyvenime, tikslumu. Tinkamas laiko sinchronizavimas čia yra be galo svarbus.
Jeigu laikrodžiai Žemės orbitoje ir Žemėje nebūtų sinchronizuoti, GPS sistema labai greitai prarastų geografinės vietos nustatymo tikslumą. Pavyzdžiui, jei laikrodžiai būtų sinchronizuojami šimtosios sekundės tikslumu, GPS rodomos padėties paklaida siektų apie tris kilometrus. Įsivaizduokite padarinius, jei kelionės tikslą pasieksite tokiu tikslumu. Bet tai dar ne viskas.
Profesionalūs dažnio matavimai yra labai svarbūs ir mokslo raidai, pavyzdžiui, jie leidžia patikrinti Alberto Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes ir tai, kad laiko tėkmės greitis priklauso nuo gravitacinio lauko stiprumo.
O tai reiškia, kad laikas bėga skirtingai Žemėje ir palydovo orbitoje, kurioje yra minėtosios GPS sistemos. Laikrodžių sinchronizavimas Žemėje ir orbitoje turi įskaityti šį gravitacinį efektą. Itin tikslus laikrodis taip pat leistų aptikti gravitacines bangas ir tamsiąją medžiagą, kuri sukelia lėtus fizikinių konstantų svyravimus.
Norėdami sukurti tokius itin tikslius įrenginius kaip optiniai laikrodžiai, patenkame į kvantinį pasaulį. Tai reiškia, kad sukurti geresnius laikrodžius trukdo ribos, susijusios su Heizenbergo neapibrėžtumo principu. Todėl suspaustų kvantinių būsenų sukūrimo idėja yra labai svarbi. Paprasčiau tariant, kalbama apie galimybę tiksliai nustatyti tam tikrą fizikinį dydį, nusakantį atominio perėjimo dažnį, paaukojant kito mums nesvarbaus dydžio matavimo tikslumą.
Kaip priversti fermionus dirbti išvien?
Iki šiol suspaustas būsenas itin šaltuose atomuose buvo įmanoma sukurti naudojant vadinamuosius bozoninius atomus. Tokie atomai gali sąveikauti vieni su kitais dėl susidūrimų.
Tačiau bozonų energijos lygmenys pasislenka priklausomai nuo atomų tankio, o tai savo ruožtu reiškia, kad atominio perėjimo dažnio matavimo tikslumas smarkiai sumažėja. Bet tai negalioja fermioniniams atomams, kurie puikiai tinka tiksliems dažnio matavimams. Štai kodėl mokslininkai norėjo tokių atomų dujose sukurti suspaustas kvantines būsenas.
Tačiau iškilo didžiulis iššūkis. Pagrindinė kliūtis buvo Pauli draudimo principas, kuris blokavo fermioninių atomų tarpusavio sąveiką artimoje absoliučiam nuliui temperatūroje. O kai nėra sąveikos tarp atomų, neįmanoma sukurti kvantinių būsenų suspaudimo. Tačiau Vilniaus universiteto ir Lenkijos fizikai sugalvojo, kaip šį apribojimą apeiti.
Jie pasiūlė naują būdą: optinėje gardelėje pagauti atomai, kurių viename gardelės mazge yra vienas fermionas, apšviesti išorine atitinkamai parinkta lazerio šviesa, pradeda tarpusavyje sąveikauti, o tai leidžia sukurti itin suspaustas kvantines būsenas atomų dujose.
Mokslininkai tikisi, kad ateityje ši idėja gali būti panaudota siekiant padidinti atominių perėjimų dažnio matavimo tikslumą itin stabiliuose ir itin tiksliuose laikrodžiuose.
Siūlomas metodas reikalauja tik gana nedidelio šiuo metu laboratorijose tiriamų šaltųjų fermioninių atomų sistemų modifikavimo. Tai leis itin šaltose atomų dujose sukurti specialias būsenas, vadinamąsias sukinių suspaustas būsenas, kurias galima pritaikyti kvantinių technologijų ir tikslių matavimų srityse.
Tyrimas finansuojama iš LMT S-LL-21-3, NCN DAINA ir NAWA BKKER 2020 projektų lėšų
