Кванты и гравитация

Одна из неразгаданных тайн в современной физике — влияние на квантовые свойства материи того искривления пространства-времени, которое формирует вокруг себя любой объект, обладающий массой. Казалось бы, изучать это невозможно, ведь квантовый мир микроскопический, а пространство-время сколько-нибудь заметно искажено даже не в макроскопических, а в космических масштабах.

Физики, впрочем, известны своим хитроумием и не устают выдумывать все более и более тонкие эксперименты с целью померить то, что, казалось бы, измерить невозможно.

И уже добрались до измерения кривизны пространства, порождаемого массой в прямом смысле слова на лабораторном столе. При этом используют атомный интерферометр.

Работает он так. Сначала в лазерной ловушке создают облачко атомов и, охладив его до сверхнизкой температуры, когда вещество начинает заметно проявлять волновые свойства, выпускают из ловушки. Облачко начинает двигаться, но этим движением управляют: облачко разделяют на два и каждое из них проходит свой путь. Если пути различаются, накопится разность фаз и при соединении облачков воедино получится интерференционная картинка из частиц вещества.

В опыте, который в 2017 году поставил Марк Казевич из Стэнфордского университета со своими коллегами (Phys. Rev. Lett. 118, 183602, 2017), одно атомное облачко проходило совсем рядом со свинцовым блоком весом в 84 кг, а второе на расстоянии от 4 до 15 см, затем облачка соединяли. Физики предполагали найти такое расстояние, когда искажение пространства, вызванное свинцовым блоком, изменит путь первого облачка гораздо сильнее, чем путь второго, и это проявится в интерференционной картинке. Причем тут расстояние? При том, что чем дальше от массивного тела, тем меньше вызванная им деформация. И это различие действия массивного блока на движение атомов удалось обнаружить при расстоянии между их траекториями всего в 10 см. Вот так, благодаря использованию квантовых технологий человек научился измерять искажение пространства, создаваемое не телом космического масштаба, а вполне земным, сравнимым по своей массе с телом человека.

В присутствии массивного блока из свинца волны вещества дают другую интерференционную картинку (рисунок на переднем плане), чем без него (Phys. Rev. Lett. 118, 183602, 2017)

Однако любое массивное тело сжимает не только пространство, но и время, во всяком случае, так утверждает Общая теория относительности: чем ближе к такому телу, тем медленнее время идет. При этом, если деформация пространства проявляется в силе тяготения, то деформация времени ни в какую силу не обращается. Так как же измерить деформацию времени? Дополнительная сложность состоит и в том, что обычно измерения проходят по локальному времени, а в этом времени никаких аномалий заметить нельзя, они возникают лишь при сравнении измерений при разных локальных значениях времени, а как такие сравнения проводить? Не очень ясно.

И тут на подмогу могут прийти квантовые технологии, благодаря которым можно телепортировать состояния объектов в другие места и значит, в другие времена. Именно такой опыт предлагают провести Жакоб Ковей из Иллинойского университета, Игорь Пиковский из Технологического института Стивенса и Йоханес Боррегаард из Гарвардского университета (PRX QUANTUM 6, 030310, 2025). Их изящная идея выглядит так. Время ускоряется по мере удаления от массивного тела. Значит, если повесить квантовые часы на разных высотах над поверхностью Земли, то локальное время у них будет различаться, и чем больше расстояние, тем сильнее различия.

Для измерения деформации времени сначала в первых часах, расположенных на поверхности Земли, формируют состояние из трех атомов рубидия — трибит. Затем состояния двух из этих атомов телепортируют в атомы, которые находятся в часах, расположенных выше на один и два километра. Эти состояния закономерно изменяются по мере течения времени, причем времени локального, которое течет тем быстрее, чем дальше соответствующий объект находится от поверхности Земли. Поэтому при обратной телепортации состояние исходного трибита изменится до неузнаваемости: телепортация проходит мгновенно и состояния возвращаются, фактически, из будущего. Если такое изменение действительно будет обнаружено, значит, массивное тело (в данном случае Земля) действительно деформирует не только пространство, но и время. А если различия зафиксировать не удастся, это тоже интересно: либо неверна Общая теория относительности и масса на течение времени не действует, либо эффект деформации времени не влияет на квантовые свойства вещества.

В принципе предлагаемый опыт не сложен, не требует чего-то невозможного: километровые оптические волокна не удивительны, квантовая связь по таким волокнам протянута не на пару-тройку километров, а на десятки, воздушные шары на километровую высоту человечество научилось запускать весьма давно. Так что есть немалый шанс, что опыт по измерению деформации времени с помощью телепортации квантовых состояний в той или иной форме будет проведен.