NaukaTechnologia

JAK DOKŁADNIEJ ZMIERZYĆ UPŁYW CZASU

Przechytrzyć Heisenberga i Pauliego, by dokładniej mierzyć upływ czasu? Tak! Dzięki stanom ściśniętym.

Czy da się obejść zasadę nieoznaczoności Heisenberga i ominąć zakaz Pauliego, aby jeszcze precyzyjniej mierzyć czas w zegarach optycznych? Z tym zagadnieniem zmierzyła się polsko-litewska grupa fizyków. Pokazują oni, jak wytworzyć w ultrazimnym gazie fermionowym tzw. stany ściśnięte.

Wyniki badań międzynarodowego zespołu z udziałem grupy dr hab. Emilii Witkowskiej (IF PAN, Warszawa) i prof. Gediminasa Juzeliunasa (Vilnius University, Wilno), we współpracy z dr. Marcinem Płodzieniem (ICFO, Barcelona) ukazały się w prestiżowym ?Physical Review Letters?. Badania podsumowuje w wypowiedzi dla PAP dr Witkowska z zespołem.

ROZMYTA RZECZYWISTOŚĆ

W świecie dużych, widzialnych gołym okiem obiektów, przyzwyczailiśmy się do przewidywalności: jeśli znamy położenie danego ciała i jego pęd, dzięki równaniom Newtona, możemy obliczyć jego trajektorię i wskazać dokładnie, gdzie ten obiekt znajdzie się w określonym czasie – takie obiekty nazywamy obiektami klasycznymi. Jeśli jednak badamy obiekty w nanoskali, to ujawnia się ich falowa natura i ?klasyczna” przewidywalność się kończy. Wynika to z praw fizyki, a nie z niedokładności naszych narzędzi pomiarowych. Konsekwencją falowej natury cząstek jest m.in. brak możliwości określenia z całą pewnością, jakie jest położenie cząstki, a jedynie można określić prawdopodobieństwo, z jakim cząstka znajduje się w danym punkcie przestrzeni. Prawdopodobieństwo to określone jest przez stan kwantowy, w jakim znajduje się cząstka.

ZASADA NIEOZNACZONOŚCI

Następstwem kwantowej natury obiektów jest zasada nieoznaczoności Heisenberga, która mówi, że niemożliwe jest zmierzenie jednocześnie wszystkich własności cząstki kwantowej z dowolną precyzją: na przykład jednocześnie jej położenia i pędu.

Cząstka kwantowa może znajdować się w różnych stanach. W tzw. stanie koherentnym niepewność pomiaru jej położenia i pędu są sobie równe. Gdy cząstka znajduje się w stanie, w którym niepewność jednego pomiaru jest zredukowana kosztem zwiększenia niepewności drugiego, nazywany on jest stanem ściśniętym.

Ogrom współczesnych badań związany jest z zaproponowaniem wykorzystania efektów kwantowych pozwalających na zwiększenie precyzji pomiaru danej wielkości, np. wspomniane ściśnięcie kwantowe.

TYKANIE SUPERDOKŁADNYCH ZEGARÓW

Przykładowo, najdokładniejsze obecnie zegary wykorzystują atomy do odmierzania upływu czasu – pomiar jednostki czasu, czyli sekundy, jest oparty na pomiarze różnicy energetycznej pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi, czyli tzw. częstości przejścia atomowego. W pomiarach laboratoryjnych schładza się atomy, np. cezu, do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, tzn. rzędu nanokelwinów, a następnie na podstawie pomiaru różnicy liczby atomów w stanie o wyższej i niższej energii, wyznaczana jest częstotliwość przejścia atomowego. Stanowi to podstawę definicji współczesnej jednostki czasu. Innymi słowy, im dokładniej zmierzymy częstotliwość przejścia atomowego, z tym większą precyzją możemy odmierzać upływ czasu. Obecnie zegary atomowe osiągają precyzję około jednej dziesiątej nanosekundy na dzień, co oznacza, że zegar atomowy może spóźniać się o jedną sekundę na 300 milionów lat. Jednak naukowcy wciąż się głowią, jak można jeszcze zwiększyć tak fantastyczną precyzję.

?Można zapytać, czy tak super precyzyjne odmierzanie czasu jest nam potrzebne? Otóż, tak, i jedna z najprostszych odpowiedzi związana jest z dokładnością działania systemów GPS, których używamy w naszym codziennym życiu, gdy przemieszczamy się z jednego miejsca do drugiego. Właściwa synchronizacja czasu ma tu fundamentalne znaczenie: gdy zegary na orbicie i na Ziemi nie są zsynchronizowane, system GPS bardzo szybko traci dokładność lokalizacji? – mówi dr Płodzień (stypendysta programu NAWA Bekker 2020).

Przykładowo, jeśli zegary są zsynchronizowane na poziomie setnej sekundy, to dokładność położenia wskazywanego przez GPS wynosi około trzy kilometry! “Możemy sobie wyobrazić, jakie to miałoby konsekwencje na dotarcie do celów naszych podróży lokalizowanych z taką dokładnością? – mówi dr Płodzień.

“To jednak nie wszystko – dodaje. -Precyzyjne pomiary częstotliwości są bardzo ważne dla rozwoju nauki, np. pozwalają zweryfikować przewidywania Ogólnej Teorii Względności Alberta Einsteina i to, że czas płynie różnie w zależności od natężenia pola grawitacyjnego, co oznacza, że czas biegnie inaczej na Ziemi niż na orbicie satelitarnej, na której znajdują się wspomniane już wcześniej satelity GPS. Synchronizacja zegarów na Ziemi i orbicie musi uwzględniać ten efekt. Superprecyzyjny zegar pozwoliłby również na wykrycie fal grawitacyjnych i detekcję hipotetycznej ciemnej materii, która może wywoływać powolne oscylacje stałych fizycznych.?

Aby budować tak superprecyzyjne urządzenia jak zegary optyczne, potrzeba jak najbardziej dokładnych informacji o pojedynczych cząstkach. Aby tę precyzję jednak osiągnąć, potrzeba pomiarów tak precyzyjnych, że wchodzimy w nich w świat kwantów. W budowie coraz lepszych zegarów realnie zaczynają więc już przeszkadzać limity związane z zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Stąd tak istotny wydaje się fizykom pomysł na tworzenie tzw. stanów ściśniętych. W uproszczeniu chodzi o takie uwięzienie cząstek – np. w oczkach optycznej “klatki?, aby móc precyzyjnie poznać pewną własność – tzw. częstość przejścia atomowego – kosztem rozmycia innej własności, która nie będzie istotna w docelowym urządzeniu.

JAK SKONTAKTOWAĆ ZE SOBĄ FERMIONY

Dotychczas wytworzenie stanów ściśniętych w ultrazimnych atomach było możliwe przy użyciu tzw. atomów bozonowych. Takie atomy są w stanie oddziaływać między sobą na skutek zderzeń. Dla bozonów jednak istnieje zależność przesunięcia poziomów energetycznych, której wartość zależy głównie od gęstości atomów, co z kolei powoduje, że dokładność pomiarów częstości przejść atomowych jest znacznie zmniejszona.

Natomiast przesunięcie poziomów energetycznych w atomach fermionowych jest mocno ograniczone, dlatego fermiony doskonale nadają się do precyzyjnych pomiarów częstotliwości. Naukowcom zależało więc na tym, by stany ściśnięte wytworzyć również i w takich gazach atomowych.

Było to jednak wielkim wyzwaniem. Na drodze stał tzw. zakaz Pauliego, który blokuje możliwość wzajemnego oddziaływania atomów fermionowych w temperaturach bliskich zeru absolutnemu. W konsekwencji braku oddziaływań między atomami nie jest możliwe wygenerowanie ściśnięcia. To ograniczenie udało się jednak obejść.

?Nasz pomysł polega na tym, aby na fermiony spułapkowane w sieci optycznej, w której znajduje się jeden fermion w pojedynczym oczku sieci, poświecić zewnętrznym światłem laserowym o odpowiedniej fazie. Okazuje się, że sprzężenie atomów ze światłem wprowadza potrzebne nam oddziaływanie pomiędzy fermionami i generuje wysoce ściśnięte stany kwantowe? – mówi dr hab. Witkowska.

Pomysł ten – jak liczą badacze – będzie można wykorzystać w przyszłości do zwiększenia dokładności pomiaru częstości przejść atomowych w niezwykle stabilnych i superprecyzyjnych zegarach – opartych o atomy fermionowe w sieciach optycznych.

?Zaproponowana przez nas metoda wymaga tylko niewielkiej modyfikacji układów badanych obecnie w laboratoriach, zarówno ultrazimnych fermionów umieszczonych w periodycznej sieci optycznej, jak i tzw. pęset optycznych? – kończy prof. Juzeliunas.

Badania polskiego zespołu finansowane są w ramach projektu NCN DAINA oraz NAWA BEKKER 2020.

Źródło informacji: PAP | Nauka w Polsce | Ludwika Tomala

Grafika obrazująca mechanizm ściśnięcia w ultra-zimnych gazach atomów fermionowych umieszczonych w periodycznych sieciach optycznych została wykonana przez dr Mazenę Mackoit Sinkevičien? z Uniwersytetu Wileńskiego.

Opinie i poglądy opublikowane na portalu cocomac.pl są wyłącznie opiniami i poglądami ich Autorów. Nie należy ich utożsamiać z poglądami redakcji. Również opinie wyrażane w publikowanych informacjach nie odzwierciedlają poglądów redakcji i wydawcy, a mają charakter informacyjny.
Widzisz błąd w artykule, niedziałający link? Poinformuj nas o tym poprzez formularz kontaktowy lub mailem! Dziękujemy.

TO TEŻ CIEKAWE:

ŹRÓDŁA BŁONNIKA

Jakie są najlepsze źródła błonnika pokarmowego? Błonnik nie jest jednorodną substancją, lecz mieszaniną różnego rodzaju związków chemicznych. Z tego względu…

MAGAZYN ENERGII

Magazyn energii – to dobra inwestycja w dobie rosnących cen energii i sposób na niezależność energetyczną. Wysokie ceny prądu, brak…

OSOBOWOŚĆ BORDERLINE

Zaburzenia osobowości borderline, czyli życie na krawędzi. Przebywanie z osobą z zaburzeniami osobowości typu bordeline to emocjonalna huśtawka: trudno przewidzieć,…

CHRZEST MIESZKA I

Mieszko I przyjął chrzest? i co dalej? Zmiana religii całego państwa nie jest jednorazowym aktem, który można zamknąć w dacie…

INTELIGENCJA ROJU

Ekspert: wzrasta zainteresowanie algorytmami inteligencji roju Inspiracją do powstania algorytmów inteligencji roju jest świat natury, na przykład zachowania mrówek. Tego…

STULECIE ODKRYCIA GROBOWCA  TUTANCHAMONA

Sto lat temu odkryto grobowiec Tutanchamona. Biżuteria, szkatułki, złota maska czy wyposażenie pałacu w postaci skrzyń, siedzisk, podnóżków – to…

BEZPIECZNE PODRÓŻE Z PKP INTERCITY

Podróże z PKP PKP Intercity cały czas funkcjonuje w reżimie sanitarnym, dążącym do zapewnienia bezpieczeństwa podróżnym i pracownikom spółki. Każdy…

ADAPTACJA CZY WYMIERANIE

Co zmiany klimatu i użytkowanie gruntów oznaczają dla różnorodności biologicznej. Wymieranie gatunków następuje dziś od dziesięciu do stu razy szybciej…

MARIHUANA – NA ZDROWIE

Coraz więcej wiemy o medycznej marihuanie. Marihuana budzi kontrowersje. Niewątpliwie jest substancją psychoaktywną, która może prowadzić do uzależnienia. Z drugiej…

DZIECI I PORNOGRAFIA

Rzetelnie rozmawiając z dzieckiem o seksualności możesz zapobiec nieszczęściu. Fakty są takie: ponad połowa dzieci w wieku szkolnym choć raz…

DEKAMERON – OFIARY MIŁOŚCI

DZIEŃ CZWARTY Opowieść VIII Pisownia oryginalna z 1930 roku Girolamo miłuje Sylwestrę. Spełniając prośbę matki, udaje się do Paryża; po…

Ćwiczenie nr 1

ROSNĘ – OPADAM Pozycja do wykonania ćwiczenia: siedzącaIlość powtórzeń: 10Do wykonania ćwiczenia potrzebujesz: stabilne miejsce do siedzenia np. krzesło, kanapa,…

KAMPANIA MIU MIU JESIEŃ ZIMA 2022-23

STUDIUM CHARAKTERU Wizerunek Miu Miu – zarówno ubrań, jak i osób, to wyrażenie postawy, odzwierciedlenie sposobu myślenia, studium charakteru. Kampania…

Ćwiczenie nr 9

WSPIĘCIA NA PALCE Pozycja do wykonania ćwiczenia: stojąca.Ilość powtórzeń: 3 serie po 10 powtórzeń.Do wykonania ćwiczenia potrzebujesz: powierzchnię do oparcia…

MENU WILKÓW Z ROZTOCZA

Wilki z Roztocza najchętniej polują na sarny. To sarny, a nie jelenie, stanowią główne źródło pożywienia wilków na Roztoczu i…

OSTATNI TAKI LAS

Ostatni taki las. Zielona Wstęga Gór Skandynawskich Szwecja to jeden z najbardziej lesistych krajów Europy. Ale dopiero niedawno potwierdzono tam…

ĆWICZENIA DLA SENIORÓW

AKTYWNY SENIOR W DOMU Program profilaktyczny Krajowej Izby Fizjoterapeutów i Ministerstwa Zdrowia Obecna sytuacja i przymusowe pozostanie w domach może…

PRZEKSZTAŁCANIE FILMU NA KOMIKS

Autorzy technologii zamiany filmu na komiks współtworzą awatary dla metaverse. Polska technologia pozwalająca na automatycznie przeniesienie ujęć filmowych na kartki…

KUNY CORAZ WIĘKSZE

Ocieplenie klimatu powoduje zwiększanie rozmiarów ciała kun w Europie. Masa ciała kun leśnych i domowych żyjących w Europie w ostatnich…

POSTAWA MA ZNACZENIE – WYPROSTUJ SIĘ

Jak postawa ciała wpływa na mózg. Wyprostowanej sylwetce sporo można zawdzięczać ? na przykład pewność siebie, a także zmniejszenie dolegliwości…

JELITA – CZYM NAPRAWDĘ SĄ

Jelita ? czynna kolonia, kanalizacja i centrum dowodzenia. Jelito cienkie i grube to autostrada biegnąca od żołądka po odbyt. Ale…

MOTOSKANDYNAWIA CZĘŚĆ  4

16 lat przymierzałem się aby ponownie odwiedzić Skandynawię. A tu niespodziewanie, latem, okazało się, że mam czas i jakieś mizerne…

MIGDAŁKI CZY USUWAĆ

Usuwanie migdałków u dzieci: fakty i mity. Coraz więcej dzieci w Polsce cierpi z powodu przerostu migdałków. Na temat tego…

DARE TO BE U! KAMPANIA HOUSE SS22

WSZYSCY DZIELIMY JAKIEŚ PRAGNIENIA. CHCE NAM SIĘ PRZESTRZENI, WOLNOŚCI I NATURY; CHCE NAM SIĘ CZASU TYLKO DLA NAS I TYLKO DLA BLISKICH;…

OLEJ PALMOWY A ŚRODOWISKO

O oleju palmowym i środowisku Olej palmowy pozyskiwany jest z olejowca gwinejskiego (Elaeis guineensis, zwanego popularnie palmą olejową), powszechnie uprawianego…

JAK ZAPOBIEC SAMOBÓJSTWU

Ktoś ma myśli samobójcze. Jak można pomóc? Każdy z nas może kiedyś zetknąć się z osobą, która znajduje się właśnie…

HALUKSY – KOŚLAWE PALUCHY

Czy haluksom można zapobiegać? Zniekształcenie stopy może być nabyte albo wrodzone. Charakterystyczne dla haluksów jest koślawe ustawienie palucha i szpotawe (czyli…

NIE PRZETRZYMUJ BÓLU

Wytrzymywanie bólu to bardzo zły pomysł. Ból to sygnał. Ból należy leczyć, ale mądrze. Dowiedz się, czym grozi nieprawidłowe leczenie…

AUSTRALIA – KRAJOBRAZ OPOWIEDZIANY CZ. 3

Geolog postrzega ziemię jako wynik historycznych i prehistorycznych procesów: fałdowanie skorupy ziemskiej, pękanie i uskoki, powstawanie osadów. Te procesy zachodzące…

PROFILAKTYKA 40+

Program Profilaktyka 40plus już od lipca. W lipcu rusza program Profilaktyka 40+ gwarantujący każdemu Polakowi powyżej 40. roku życia możliwość…

OŁÓW – CICHY ZABÓJCA

Zabójczy ołów. Ołów może zabijać, i nie chodzi tu o kule, a jego mikroskopijne ilości w skażonym otoczeniu. Nie ulega…

SZTUCZNA TRZUSTKA JUŻ GOTOWA

Bioniczna trzustka: to już nie fikcja! Bioniczna trzustka czeka na rozpoczęcie badań klinicznych. To nadzieja dla wielu chorych z przewlekłym…

CYTOLOGIA NA PODŁOŻU PŁYNNYM

O co w niej chodzi? Coraz więcej ośrodków wykonuje w Polsce badanie cytologiczne na podłożu płynnym. To o wiele dokładniejsza…

OWOCE JAGODOWE A ODPORNOŚĆ

Co warto wiedzieć na ten temat. Układ odpornościowy człowieka to skomplikowana maszyneria, której sprawne działanie zależy od wielu różnych czynników,…

DYSLEKCJA ROZWOJOWA

Jej objawy pojawiają się już w przedszkolu! U dziecka z trudnościami w czytaniu i pisaniu, które nie otrzyma odpowiedniego wsparcia,…

OGRÓDEK PSU NIE WYSTARCZA

Ogródek nie równa się spacerowi, czyli dlaczego psy muszą wychodzić na dłuższy spacer? Wiele rodzin, kupując dom z ogródkiem, decyduje się…

DEKAMERON – SKĄPIEC GRIMALDI

DZIEŃ PIERWSZY Opowieść VIII Pisownia oryginalna z 1930 roku Wilhelm Borsiere ostremi słony wyszydza skąpstwo messera Ermina de Grimaldi. Siedząca…

FORD MUSTANG HITEM

FORD MUSTANG NAJLEPIEJ SPRZEDAJĄCYM SIĘ SPORTOWYM COUPE NA ŚWIECIE, UTRZYMUJĄC TYTUŁ LIDERA SIÓDMY ROK Z RZĘDU. Ford przeanlizował dane rejestracyjne…

DEKAMERON – DROGA DO RAJU

DZIEŃ TRZECI Opowieść IV Pisownia oryginalna z 1930 roku Don Felice poucza brata Puccia, jak ma drogą pokuty zbawienia dostąpić.…

PREHISTORYCZNY LEW AMERYKAŃSKI

Przy lwie amerykańskim tygrys szablozębny był jak kociak. Mimo zatrważających kłów, samce tygrysów szablozębnych mogły być o wiele mniej agresywne…

SUZUKI ACROSS

Suzuki przedstawia model ACROSS Suzuki ? ACROSS ? muskularny SUV o sportowym charakterze wyposażony w nowoczesny i oszczędny napęd hybrydowy…

DYSTONIA – MIMOWOLNE RUCHY

Dystonia: mimowolne ruchy, które trzeba leczyć u neurologa Silne napięcie mięśni, mimowolne powtarzające się ruchy, wygięcie ciała ? tak objawia…


[CP_CALCULATED_FIELDS id=”7″]

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Witryna wykorzystuje Akismet, aby ograniczyć spam. Dowiedz się więcej jak przetwarzane są dane komentarzy.

error

Jeżeli artykuł Ci się podoba, to prosimy udostępnij go innym. :)

Skip to content