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:

UZALEŻNIENIE A MIŁOŚĆ

Uzależnienie ma wpływ na miłość. Każde. Walentynki ? święto zakochanych. Czy uzależnienia wpływają na jakość związków? W Polsce co piąta…

BANANY W POLSKICH OGRODACH?

Zainteresowanie egzotycznymi roślinami w Polsce rośnie. W Polsce zainteresowanie uprawą egzotycznych roślin rośnie. Wpłynęła na to również pandemia, z powodu…

Ćwiczenie nr 12

MINI – PRZYSIADY Pozycja do wykonania ćwiczenia: stojąca.Ilość powtórzeń: 2 serie po 10 powtórzeń.Do wykonania ćwiczenia potrzebujesz: powierzchnię do oparcia…

DLACZEGO SIĘ KŁÓCIMY

Kłótnie w związku: zwykle świadczą o tym, co bardzo ważne i niedostrzeżone Kłótnie nie zawsze są złe. Często oznaczają, że…

SEKS Z PRZYJACIELEM

Friends with benefits. Seks między przyjaciółmi zasługuje na naukowe spojrzenie. Przyjaciele, którzy uprawiają ze sobą seks, uzyskują niższą satysfakcję ze…

GEN CZERWONYCH PIÓR

Naukowcy odnaleźli geny odpowiedzialne za czerwone ubarwienie piór ptaków. Dwa geny odpowiadają za przetwarzanie barwników karotenoidowych w organizmach ptaków i…

„Sportowa Natura”

7 marca wystartowała kolejna edycja konkursu „Sportowa Natura”. Lasy Państwowe łącza siły z klubami sportowymi i wspólnie zachęcają do aktywnego…

ZŁOTA KOLEKCJA „KAJKO I KOKOSZ”

Złota kolekcja ?Kajko i Kokosz? z okazji 50-lecia serii. Janusz Christa jest uznawany za jednego z najwybitniejszych polskich twórców komiksowych.…

34. FESTIWAL MOZARTOWSKI

Warszawska uczta dla melomanów w każdym wieku. Premiera opery „Łaskawość Tytusa” Wolfganga Amadeusza Mozarta, trzy wykonania „Requiem” w trzech różnych…

ZESTARZEĆ SIĘ DOBRZE

Psychoedukacja pomaga dobrze się zestarzeć Pogodna jesień życia to obraz aktywnego, dbającego o zdrowie emeryta. Co zrobić, aby starsze osoby…

MUZYKA CHOPINA ZA 1 ZŁ

Bilety za 1 zł i codzienne recitale w Muzeum Fryderyka Chopina z okazji 211. rocznicy urodzin kompozytora – od 23…

USTAWA ARTYSTYCZNA

MKDNiS: Ustawa o uprawnieniach artysty zawodowego ucywilizuje sytuację polskich twórców (komunikat) MKDNiS informuje: Ministerstwo Kultury, Dziedzictwa Narodowego i Sportu skierowało…

TADEK NIEJADEK

Skąd się biorą niejadki Wieczorne fochy przy kolacji? Twój maluch znowu nie chce spróbować nowej zupy? To nie dlatego, że…

CHRZCINY

Katarzyna Figura, Maciej Musiałowski, Tomasz Schuchardt i Michał Żurawski na ?Chrzcinach?. Już 26 listopada do kin trafi nowy film z…

ENDOMETRIOZA – CZYM JEST

Fakty o endometriozie Marzec to Miesiąc Świadomości Endometriozy. To doskonały czas, by przyjrzeć się bliżej tej podstępnej, bo dającej niespecyficzne…

ŚWIATOWY TYDZIEŃ JASKRY

Zbadaj, czy nie masz jaskry W Światowym Tygodniu Jaskry, który przypada na dni od 12 do 18 marca, w wybranych…

DEKAMERON – ZAKOCHANY STARZEC

DZIEŃ PIERWSZY Opowieść X Pisownia oryginalna z 1930 roku Mistrz Albert z Bolonji zawstydza białogłowę, która chciała sobie zeń zadrwić…

24 CALOWY TABLET GRAFICZNY

Huion przedstawia trzy 23,8-calowe ekrany piórkowe, w tym Kamvas Pro 24(4K). Firma Huion prezentuje dziś trzy wielkoekranowe Tablety graficzne: Kamvas…

FLUOR  SZKODZI?

Fluor: fakty i mity. Ofiarą nieprawdziwych teorii na temat rzekomej szkodliwości padły naukowo potwierdzone metody zapobiegania próchnicy. Nie daj się…

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;…

SERCE A MÓZG

Gdy dbasz o serce, chronisz mózg. Problem demencji różnego typu narasta. Jednocześnie wiele osób cierpi na różnego rodzaju choroby układu…

ZANIEDBYWANIE DZIECKA

Zaniedbanie jako najcięższy rodzaj przemocy wobec dziecka. Czym jest zaniedbanie w życiu dziecka? Zdaniem dr Teresy Jadczak-Szumiło z Polskiego Instytutu…

KOŃ JAK CZŁONEK RODZINY

Prof. Makowiecki: konie w średniowiecznej Polsce często traktowano jak członków rodziny Konie w czasach piastowskich często traktowane były jak członkowie…

WIELKA WARSZAWSKA 2022

Wielka Warszawska 2022 bije rekordy we frekwencji i w puli nagród. Najszybsze konie, stylowe kreacje, prestiż i wielkie pieniądze: ponad…

WIKINGOWIE – PRAWDY I MITY

Marcin Sałański Wikingowie i początki ich wypraw w VIII-IX w. ? prawda i mity. Czerwiec 793 roku. Mnisi z klasztoru…

NAGRODA FIFA DLA POLAKA?

Marcin Oleksy z szansą na nagrodę FIFA The Best. To historyczny moment. Po raz pierwszy do prestiżowej nagrody FIFA Puskás…

DEKAMERON – NA WŁOS OD ŚMIERCI

DZIEŃ PIĄTY Opowieść III Pisownia oryginalna z 1930 roku Pietro Boccamanza, uciekając z Agnolellą wpada w ręce łotrzyków. Dzieweczka, salwuje…

POSTANOWIENIA – JAK WYTRWAĆ

Jak wytrwać w realizacji postanowień. Według badań potrzebujemy od 21 nawet do 70 dni, aby zmienić swoje nawyki, a realizacja…

JAK BYĆ KREATYWNYM

Kilka prostych sposobów na wzmocnienie kreatywności. Kreatywność się opłaca tak w życiu zawodowym, jak i prywatnym. W końcu zdolność do…

ANDROPAUZA

Andropauza: czy taki diabeł straszny, jak go malują? Andropauza: często ignorowana, mniej gwałtowna niż kobieca menopauza, ale równie ważna i…

RANDKOWANIE PRZY POMOCY APLIKACJI

Randki z aplikacji: blaski i cienie. Randkowe aplikacje są bardzo popularne, choć znaczna część ich użytkowników narzeka, bo doświadczają natarczywości,…

CZEGO NIE MOŻE JEŚĆ NIEMOWLĘ

Pokarmy, których nie należy dawać niemowlętom. Mleko krowie lub roślinne można podawać niemowlętom? Nie. Tymczasem z badań zleconych w ramach…

DWAJ RYWALE

DZIEŃ PIĄTY Opowieść V Pisownia oryginalna z 1930 roku Guidotto z Cremony porucza córkę swoją Giacominowi z Pawji i umiera.…

NOWA KOMEDIA „KOMEDIANCI DEBIUTANCI”

Najlepsza europejska komedia ?Komedianci debiutanci?. Zwiastun i data premiery kinowej Niezwykła historia grupy więźniów, którzy grają w słynnej sztuce Samuela…

SEKS PO MENOPAUZIE

Menopauza a życie seksualne. Może być lepiej. Tak, to prawda, że menopauza zmienia kobiece ciało. Ale nieprawdą jest, że ucierpieć…

DEKAMERON – GIOVANNI BOCCACCIO

PROLOG Pisownia oryginalna z 1930 roku ?Zaczyna się pierwszy dzień Dekameronu, w którym po wyjaśnieniach autora, dla jakiej przyczyny osoby,…

LEXUS LX

LEXUS LX Z TRZEMA RODZAJAMI KABINY I WERSJĄ F SPORT Lexus LX jest największym SUV-em marki. Samochód zadebiutował w 1996…

OLEJ KOKOSOWY

Oleje egzotyczne cz. 1 – olej kokosowy Na szeroką skalę używa się ich w przemyśle spożywczym i kosmetycznym, lecz z…

CASTING. POTRZEBNE RÓŻNE TYPY URODY

Do reklamy  producenta żywności potrzebne Modelki oraz Modele. Szukamy różnych typów urody, różne kolory włosów, także modelki ciemnoskóre, mulatki, Azjatki. …

REKOMENDACJE WHO DOTYCZĄCE JAKOŚCI POWIETRZA

Zanieczyszczenie powietrza bardziej szkodliwe niż wcześniej sądzono. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) opublikowała nowe, bardziej rygorystyczne od poprzednich rekomendacje dotyczące jakości…

MOTOSKANDYNAWIA CZĘŚĆ  5

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


[CP_CALCULATED_FIELDS id=”7″]

Dodaj komentarz

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

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

error

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

Przejdź do treści