Ερευνητές σχεδίασαν μια κβαντική εκδοχή του ρολογιού με εκκρεμές. Το μοντέλο αυτό θα μπορούσε να ρίξει φως στη μέτρηση του χρόνου στο κβαντικό πεδίο.
Της Karmela Padavic-Callaghan
Τα ρολόγια με εκκρεμές ήταν πολύ πιο ακριβή από όσα είχαν προηγηθεί / Panumas Nikhomkhai / Alamy
Η πρώτη πλήρης σχεδίαση για ένα κβαντικό ρολόι τύπου εκκρεμούς χρησιμοποιεί ένα μόνο άτομο, μικρούς καθρέφτες και φως. Η κατασκευή του θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση του τι κάνει ένα ρολόι ακριβές στο κβαντικό πεδίο, αλλά και να δώσει ώθηση σε ιδέες στα όρια της φυσικής.
Στο πιο βασικό επίπεδο, ο χρόνος μπορεί να μετρηθεί με κάτι απλό, όπως η άμμος που κυλά μέσα σε μια κλεψύδρα. Η μέτρηση του χρόνου όμως έγινε πολύ πιο ακριβής όταν τον 17ο αιώνα εφευρέθηκαν τα μηχανικά ρολόγια, όπως το ρολόι με εκκρεμές. Ο Matteo Brunelli από το Collège de France και οι συνεργάτες του έδειξαν τώρα ότι τέτοια ρολόγια έχουν και κβαντικό ισοδύναμο.
«Θέσαμε στον εαυτό μας το ερώτημα: “Μπορεί ένα ρολόι με εκκρεμές να λειτουργήσει σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής;” Δεν μπορούσαμε να είμαστε βέβαιοι», λέει.
Παράγει η βαρύτητα την πραγματικότητα; Μια συγκλονιστική πορεία προς μια θεωρία των πάντων
Κάθε ρολόι με εκκρεμές έχει τρία βασικά στοιχεία. Πρώτα είναι το εκκρεμές, που ορίζει τους παλμούς του ρολογιού με τις ταλαντώσεις του. Έπειτα υπάρχουν τα βάρη στο εσωτερικό του μηχανισμού, τα οποία αξιοποιούν την έλξη της βαρύτητας προς τα κάτω για να κινείται το εκκρεμές. Τέλος, ένα ρολόι με εκκρεμές χρειάζεται έναν «μηχανισμό διαφυγής», που μετατρέπει τις ταλαντώσεις του εκκρεμούς στην κίνηση των δεικτών και δίνει μικρές ωθήσεις ενέργειας ώστε η τριβή να μην το επιβραδύνει. Συγκεκριμένα, για να συνεχίζει το εκκρεμές να κινείται δεξιά-αριστερά με το ίδιο εύρος κάθε φορά, ο μηχανισμός διαφυγής πρέπει να ελέγχει την πάνω και κάτω κίνηση των βαρών.
Οι ερευνητές ανέπτυξαν ένα μαθηματικό μοντέλο που αναπαρήγαγε όλα αυτά τα χαρακτηριστικά με κβαντικά αντικείμενα. Στον σχεδιασμό τους, το ρολόι είναι ένας κοιλότητα που αποτελείται από δύο καθρέφτες αντικριστά ο ένας με τον άλλον – ο ένας είναι σταθερός και ο άλλος μπορεί να ταλαντώνεται μπρος-πίσω. Ανάμεσα στους καθρέφτες βρίσκεται ένα άτομο που μπορεί να έχει τρεις διαφορετικές ενέργειες. Μικρές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας στο περιβάλλον της κοιλότητας κάνουν το άτομο να μεταβαίνει από τη μία ενεργειακή κατάσταση στην άλλη και ορισμένες από αυτές τις μεταβάσεις συνοδεύονται από την εκπομπή ενός φωτονίου. Το φωτόνιο ανακλάται ανάμεσα στους καθρέφτες, κάνοντας τον έναν από αυτούς να ταλαντώνεται, ανάλογα με το πώς τα βάρη που πέφτουν βάζουν σε κίνηση το εκκρεμές.
Το άτομο παίζει τον ρόλο του μηχανισμού διαφυγής, μετακινούμενο διαρκώς ανάμεσα στις ενεργειακές του καταστάσεις και εξασφαλίζοντας μια ακολουθία από ticks και tocks. Ο Brunelli λέει ότι αυτό είναι το μικρότερο δυνατό μέγεθος για έναν μηχανισμό διαφυγής. Η μαθηματική ανάλυση της ομάδας έδειξε ότι, αν όλα ρυθμίζονταν σωστά, το κβαντικό ρολόι θα κατέληγε σε σταθερή και αξιόπιστη συμπεριφορά χτυπήματος – ακριβώς όπως θα έπρεπε να συμβαίνει σε ένα ρολόι με εκκρεμές.
Πού προήλθαν οι νόμοι της φυσικής; Νομίζω ότι βρήκα την απάντηση
Ο Brunelli λέει ότι, σε αντίθεση με τα καλύτερα ατομικά ρολόγια στον κόσμο που χρειάζονται έλεγχο με λέιζερ, αυτό το ρολόι θα ήταν αυτόνομο και θα λειτουργούσε περισσότερο σαν μια αυτοτελής θερμοδυναμική μηχανή. Αυτόνομα κβαντικά ρολόγια έχουν σχεδιαστεί και στο παρελθόν, όμως επειδή δεν διατηρούσαν τις ίδιες ομαλές ταλαντώσεις μέσω του μηχανισμού διαφυγής, ήταν λιγότερο ακριβή, λέει.
Μάλιστα, το νέο ρολόι ξεπέρασε ένα όριο ακρίβειας που ονομάζεται «θερμοδυναμική σχέση αβεβαιότητας» και είχε περιορίσει πολλά προηγούμενα αυτόνομα ρολόγια. Αυτό συμβαίνει επειδή η ακρίβεια κάθε ρολογιού συνδέεται με το πόση προσπάθεια θα χρειαζόταν για να λειτουργήσει αντίστροφα – και η ακρίβεια του νέου ρολογιού ήταν ανάλογη της μη αναστρεψιμότητάς του, με τρόπο που θεωρείται ευνοϊκός για ιδιαίτερα καλή μέτρηση του χρόνου.
Ο Sreenath Manikandan από το Tata Institute of Fundamental Research Hyderabad στην Ινδία λέει ότι η κατανόηση των αυτόνομων ρολογιών είναι κρίσιμη για την κατανόηση της μέτρησης του χρόνου, επειδή δεν βασίζονται σε άλλο ρολόι για να παραμένουν ακριβή και έτσι αποτυπώνουν την πιο στοιχειώδη μορφή της διαδικασίας. Και όσο περισσότερο κατανοούμε τα κβαντικά ρολόγια στο πιο βασικό τους επίπεδο, τόσο πιο χρήσιμα μπορούν να γίνουν για την ανίχνευση νέας φυσικής, όπως το πώς συμπεριφέρεται η βαρύτητα στο κβαντικό πεδίο, λέει. «Μια βαθιά κατανόηση των μηχανισμών λειτουργίας ενός ρολογιού είναι ιδιαίτερα επιθυμητή και πιστεύω ότι η νέα μελέτη αποτελεί σημαντική πρόοδο προς αυτή την κατεύθυνση», λέει ο Manikandan.
Πειράματα με μικροσκοπικές κοιλότητες και φωτόνια είναι συνηθισμένα, οπότε πολλά από τα στοιχεία που θα χρειάζονταν για την κατασκευή του νέου ρολογιού στο εργαστήριο υπάρχουν ήδη. Ωστόσο, ο Brunelli λέει ότι ο μηχανισμός διαφυγής είναι αρκετά πρωτότυπος ώστε η υλοποίηση ενός τέτοιου πειράματος να είναι τεχνικά απαιτητική. «Αλλά δεν είναι εντελώς παράλογο», λέει.
Physical Review A DOI: 10.1103/hb36-7m2r
Το παρόν κείμενο δημιουργήθηκε με τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης.
