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:

DIOR WOMEN. WIOSNA – LATO 2022

Maria Grazia Chiuri w damskiej kolekcji Dior wiosna-lato 2022 pokazuje sieć skojarzeń dotyczących zaprezentowanej w roku 1961, przez Marca Bohana,…

JASKRA CICHY ZŁODZIEJ WZROKU

Jaskra – podstępna choroba To podstępna choroba, a stawka za jej zlekceważenie wysoka ? utrata wzroku. Można ją wcześnie wykryć…

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…

PIES TO ZDROWIE

Pies jako wsparcie dla zdrowia. Pod pewnymi warunkami Prof. Zbigniew Religa radził niektórym swoim pacjentom, by sprawili sobie psa. Wiedział,…

ZMANIPULOWAĆ MOŻNA KAŻDEGO

Zmanipulować można każdą osobę, wykształcenie ani iloraz inteligencji nie mają większego znaczenia – przekonuje w rozmowie z PAP prof. Dariusz…

UBÓSTWO NIEJEDNO MA IMIĘ

Czym jest feminizacja ubóstwa i jak z nią walczyć Ubóstwo to zjawisko, które ma różne oblicza, i w bardzo różny…

OPEL ASTRA GSE I GRANDLAND

Nowy Opel Astra GSe i Opel Grandland GSe: już wkrótce rozpocznie się przyjmowanie zamówień na polskim rynku. Mocne, dynamiczne i…

DEPRESJA PO UDARZE

Po udarze nawet ponad połowa chorych zapada na depresję. Po udarze chory często ma poczucie, że jego życie nieodwracalnie się…

WYPALENI RODZICE

Wypalenie rodzicielskie Przedłużająca się pandemia szczególnie dotyka rodziców, którzy łączą zdalną pracę zawodową z całodzienną opieką nad dziećmi i edukacją…

DYSTONIA – MIMOWOLNE RUCHY

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

TRANSHUMANIZM – NOWY ULEPSZONY CZŁOWIEK

Transhumanizm przewiduje zniesienie wyjątkowości człowieka. Według transhumanizmu człowiek naturalny utraci uprzywilejowaną pozycję w środowisku naturalnym i wytworów technologii ? mówi…

SWOBODNY KWARK POWABNY

ALICE wykazuje, że swobodny kwark powabny ma masę. Masz problem, żeby dowiedzieć się, ile tak naprawdę ważysz, bo waga w…

PRAWO A SZTUCZNA INTELIGENCJA

Prawne problemy ze sztuczną inteligencją. Czy prawo powstrzyma „bunt maszyn”? Prawne problemy ze sztuczną inteligencją narastają wraz z dynamicznym rozwojem…

LEWORĘCZNE KANGURY

W czasie wykonywania zwykłych, codziennych zadań, takich jak skubanie liści lub drapanie się, kangury chętniej korzystają z jednej, wybranej dłoni.…

BUŁGARIA ZAPRASZA

Bułgaria: historia starożytna przyprawiona pysznymi inspiracjami Bułgaria słynie nie tylko z pięknych plaż i nadmorskich kurortów. To niezwykle gościnny, pełen…

DOBRE BAKTERIE NIE SĄ ZŁE

Dbajmy o dobre bakterie w jelitach Liczba bakterii w ludzkim organizmie jest 10 razy większa niż komórek budujących ciało. Po…

TECHNOENTUZJAZM GROŹNY?

Zybertowicz: technoentuzjazm to prawdopodobnie najgroźniejsza ze współczesnych ideologii. Technoentuzjazm, a w wersji nasilonej technofilia, czyli bałwochwalczy, bezrefleksyjny stosunek do technol…

TRAMWAJ NA CYFROWYCH SZYNACH

Shanghai Electric rozpoczyna testy pierwszej w Chinach linii tramwajowej opartej na szynach cyfrowych wyposażonej w system iDRT SZANGHAJ, 2 luty…

Ćwiczenie nr 12

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

DEKAMERON – PĄTNICZKA

DZIEŃ PIERWSZY Opowieść IX Pisownia oryginalna z 1930 roku Król Cypru, wydrwiony przez pewną Gaskonkę, staje się z człeka tchórzliwego…

METEORYTY

Tropiąc meteoryty – najstarsze kawałki materii na Ziemi. Meteoryty to najstarsze kawałki materii, które możemy znaleźć na Ziemi. Naukowcy precyzyjnie…

DIETA „PÓŁ TALERZA”

Dietetyk radzi: zapomnijmy o piramidzie żywienia ? idea ?pół talerza? to nowa jakość w planowaniu zdrowych posiłków Jednym z fundamentów…

MIGRENA

Migrena – co to jest i jak sobie z nią radzić? To z pewnością nie jest zwykły ból głowy, a…

MIKOŁAJ KOPERNIK NA ZAMKU KRÓLEWSKIM

Wystawa z okazji 550. urodzin Mikołaja Kopernika na Zamku Królewskim. Pierwsze wydanie przełomowego dzieła Kopernika ?De revolutionibus orbium ceolestium?, cenne…

SERCE A MÓZG

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

NOWA GENERACJA WODOROWEJ TOYOTY

Pierwszy samochód elektryczny Toyoty oczyszczający powietrze. Nowa generacja wodorowego sedana Mirai Toyota prezentuje drugą generację przełomowego sedana Mirai, bezemisyjnego samochodu…

ZADZIWIAJĄCE KOCIE AMORY

Dlaczego marcujące się koty wrzeszczą? Jak zbudowany jest penis kocura? Czy kocice trzymane w domach jajeczkują inaczej niż wolno żyjące?…

BIGOREKSJA

Mężczyźni też mają zaburzenia odżywiania. To najczęściej mężczyźni borykają się z zaburzeniem, które ma wiele wspólnego z anoreksją: fiksację na…

H&M HOME: RĘKODZIEŁO

Z miłości do rzemiosła. Udekoruj swój dom pięknymi detalami, wykonanymi ręcznie z naturalnych materiałów, takich jak len, drewno akacjowe, terakota,…

WILK NIE POGARDZI BOBREM

Badania w Wigierskim Parku Narodowym: wilki nierzadko polują na bobry. Większości ludzi wilki kojarzą się z drapieżnikami polującymi na jelenie,…

MOTOSKANDYNAWIA CZĘŚĆ  2

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

MONGOLIA CZĘŚĆ  3

Mariusz Reweda Część 3 Patrząc dzisiaj przez uchylone okno mojego domu na kółkach, spostrzegłem orły. Rozbiliśmy obóz wysoko na stoku…

NAJMRO. KOCHA, KRADNIE, SZANUJE

Ogrodnik, Więckiewicz, Gierszał i Zawierucha w nowym zwiastunie i na nowym plakacie! Już 17 września na ekrany kin wejdzie ?Najmro.…

WIELKA WARSZAWSKA 2022

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

GOŚĆ – MACIEJ ORŁOŚ  (VIDEO)

Maciej Orłoś w telegraficznym skrócie. O kulisach dziennikarstwa, życiu i nie tylko porozmawiamy z jednym z najbardziej lubianych i cenionych…

CO Z TĄ EREKCJĄ

Erekcja: co każdy facet wiedzieć powinien Sprawność erekcyjna jest jednym z najbardziej kruchych darów, jakimi Matka Natura obdarowała płeć męską.…

DIOR – CRUISE 2023

Nowa podróż Diora z Marią Grazią Chiuri. Dior Cruise 2023. W przypadku kampanii Dior Cruise 2023 Maria Grazia Chiuri jako…

DEKAMERON – RUBIN

DZIEŃ DRUGI Opowieść V Pisownia oryginalna z 1930 roku Andreuccio z Perugji przybywa do Neapolu, aby zakupie konie. W nocy…


[CP_CALCULATED_FIELDS id=”7″]

Dodaj komentarz

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

Ta strona używa Akismet do redukcji spamu. Dowiedz się, w jaki sposób przetwarzane są dane Twoich komentarzy.

error

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

Przejdź do treści