Arka planda: kütleçekimsel mercek etkisi, görelilik tarafından açıklanan bir etki örneği. Kuantum parçacıkları ile benzer etkiler incelenebilir. Kredi: NASA / TU Wien
Yeni teknikler, kuantum mekaniği ve görelilik arasındaki ilişki hakkındaki sorular da dahil olmak üzere, daha önce deneysel olarak erişilemeyen soruları yanıtlayabilir.
Bilim adamları TU Wien’de ve diğer kurumlar, kavisli uzay-zamandaki kuantum parçacıklarını modellemek için ultra soğuk atomik bulutları kullanan bir “kuantum simülatörü” geliştirdiler ve bu, kuantum teorisi ile görelilik teorisini uzlaştırmaya yönelik büyük bir adım oldu. Model sistem, bir kuantum alanındaki kütleçekimsel merceklenme etkilerini incelemek için bir araç sunar; bu, anlaşılması güç kuantum yerçekimi alanında ve fiziğin diğer alanlarında yeni kavrayışlara yol açabilir.
İzafiyet teorisi, istediğiniz zaman iyi çalışır. kara delikler çarpıştığında oluşan yerçekimi dalgaları gibi kozmik ölçekli fenomenleri açıklamak için. Kuantum teorisi, bir atomdaki bireysel elektronların davranışı gibi parçacık ölçeğindeki fenomenleri tanımlarken iyi çalışır. Ancak ikisini tamamen tatmin edici bir şekilde birleştirmek henüz sağlanamadı. Bir “kütleçekiminin kuantum teorisi” arayışı, bilimin çözülmemiş önemli görevlerinden biri olarak kabul edilir.
Bunun nedeni kısmen, bu alandaki matematiğin oldukça karmaşık olmasıdır. Aynı zamanda, uygun deneyler yapmak zordur: Hem görelilik kuramının fenomenlerinin, örneğin ağır kütleler tarafından kıvrılmış bir uzay-zaman ve aynı zamanda kuantum etkilerinin önemli bir rol oynadığı durumlar yaratmak gerekir. örneğin ışığın ikili parçacık ve dalga doğası.
Avusturya’nın Viyana kentindeki TU Wien’de bu amaç için yeni bir yaklaşım geliştirildi: “Kuantum simülatörü” denen bir Bu tür soruların temeline inmek için kullanılır: İlgilenilen sistemi (yani eğri uzay-zamandaki kuantum parçacıklarını) doğrudan araştırmak yerine, kişi bir “model sistem” yaratır ve ardından asıl ilgilenilen sistem hakkında analoji yoluyla bir şeyler öğrenebilir. Araştırmacılar şimdi bu kuantum simülatörünün mükemmel bir şekilde çalıştığını gösterdiler. Girit Üniversitesi, Nanyang Teknoloji Üniversitesi ve FU Berlin’den fizikçilerin yer aldığı bu uluslararası işbirliğinin bulguları şimdi Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) bilimsel dergisinde yayınlandı.
Learning from bir sistem diğeriyle ilgili
Kuantum simülatörünün arkasındaki temel fikir basittir: Birçok fiziksel sistem benzerdir. Tamamen farklı türde parçacıklar veya ilk bakışta birbirleriyle çok az ilgisi olan farklı ölçeklerdeki fiziksel sistemler olsalar bile, bu sistemler daha derin bir seviyede aynı yasalara ve denklemlere uyabilir. Bu, belirli bir sistem hakkında başka bir sistemi inceleyerek bir şeyler öğrenilebileceği anlamına gelir.
Deneylerde çok iyi kontrol edebileceğimizi ve ayarlayabileceğimizi bildiğimiz bir kuantum sistemini alıyoruz,” diyor Atom Enstitüsü’nden Prof. Jörg Schmiedmayer. TU Wien. “Bizim durumumuzda bunlar, elektromanyetik alanlara sahip bir atom çipi tarafından tutulan ve manipüle edilen ultra soğuk atomik bulutlardır.” Özelliklerinin başka bir kuantum sistemine çevrilebilmesi için bu atomik bulutları uygun şekilde ayarladığınızı varsayalım. Bu durumda, atomik bulut model sisteminin ölçümünden diğer sistem hakkında bir şeyler öğrenebilirsiniz – metal bir yaya bağlı bir kütlenin salınımından bir sarkacın salınımı hakkında bir şeyler öğrenebileceğiniz gibi: Bunlar iki farklı sistemdir. ancak biri diğerine dönüştürülebilir.
Yerçekimi mercekleme etkisi
“Artık, bu şekilde benzer şekilde kullanılabilecek efektler üretebileceğimizi gösterebildik. Mevcut makalenin ilk yazarı, Viyana Kuantum Bilimi ve Teknolojisi Merkezi’nden (VCQ) – TU Wien’den Mohammadamin Tajik, “uzay-zamanın eğriliği” diyor. Boşlukta ışık, sözde “ışık konisi” boyunca yayılır. Işık hızı sabittir; eşit zamanlarda, ışık her yönde aynı mesafeyi kat eder. Ancak ışık, güneşin yerçekimi gibi ağır kütlelerden etkilenirse, bu ışık konileri bükülür. Işığın yolları artık kavisli uzay-zamanlarda tam anlamıyla düz değil. Buna “yerçekimi merceği etkisi” denir.
Aynı şey artık atomik bulutlarda da gösterilebilir. Işık hızı yerine ses hızı incelenir. Mohammadamin Tajik, “Artık uzay-zaman eğriliğine veya yerçekimsel merceklemeye karşılık gelen bir etkinin olduğu bir sistemimiz var, ancak aynı zamanda kuantum alan teorileriyle tanımlayabileceğiniz bir kuantum sistemi” diyor. “Bununla, görelilik ve kuantum teorisi arasındaki bağlantıyı incelemek için tamamen yeni bir aracımız var.”
Kuantum yerçekimi için bir model sistem
Deneyler, ışık konilerinin şeklinin, merceğin etkiler, yansımalar ve diğer fenomenler, tam olarak göreli kozmik sistemlerde beklendiği gibi bu atomik bulutlarda gösterilebilir. Bu, yalnızca temel teorik araştırma için yeni veriler üretmekle ilgili değil; katı hal fiziği ve yeni malzeme arayışı da benzer yapıya sahip sorularla karşılaşıyor ve bu nedenle bu tür deneylerle yanıtlanabiliyor.
“Artık biz daha geniş kapsamlı verileri belirlemek için bu atomik bulutları daha iyi kontrol etmek istiyor. Örneğin, parçacıklar arasındaki etkileşimler yine de çok hedefli bir şekilde değiştirilebilir,” diye açıklıyor Jörg Schmiedmayer. Bu şekilde kuantum simülatörü, süper bilgisayarlarla bile hesaplanamayacak kadar karmaşık fiziksel durumları yeniden yaratabilir.
Böylece kuantum simülatörü, teorik bilgilere ek olarak kuantum araştırmaları için yeni ve ek bir bilgi kaynağı haline gelir. hesaplamalar, bilgisayar simülasyonları ve doğrudan deneyler. Araştırma ekibi, atomik bulutları incelerken, şimdiye kadar tamamen bilinmeyen, aynı zamanda kozmik, göreli bir ölçekte gerçekleşen yeni fenomenlerle karşılaşmayı umuyor – ancak küçük parçacıklara bakılmadan asla keşfedilmemiş olabilirler. .
Referans: Mohammadamin Tajik, Marek Gluza, Nicolas Sebe, Philipp Schüttelkopf, Federica Cataldini, João Sabino, Frederik Møller, Si-Cong Ji, “Bir kuantum alan simülatöründe eğri ışık konilerinin deneysel gözlemi” Sebastian Erne, Giacomo Guarnieri, Spyros Sotiriadis, Jens Eisert ve Jörg Schmiedmayer, 15 Mayıs 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2301287120