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 Sinkevičienė 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:

DEKAMERON – MARTELLINO  KALEKA

DZIEŃ DRUGI Opowieść I Pisownia oryginalna z 1930 roku Martellino, rzekomy kaleka, udaje, że ozdrowiał, zbliżywszy się do szczątków świętego.…

JAK DOBRZE ZACZĄĆ DZIEŃ

Poranek czempiona, czyli jak dobrze zacząć dzień Jeśli się dobrze wystartuje, to później jest już łatwiej. I nie dotyczy to…

PREHISTORYCZNY LEW AMERYKAŃSKI

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

DEKAMERON – SPOWIEDŹ

DZIEŃ TRZECI Opowieść III Pisownia oryginalna z 1930 roku Pod pokrywką spowiedzi i swej wrzekomo urażonej cnoty, dama rozmiłowana w…

DWAJ RYWALE

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

CHORE JELITA A SEKS

Jak się kochać, gdy chore są jelita Choroby nieswoiste jelit sprawiają wiele problemów w życiu na każdym poziomie – także…

JAK PRZYGOTOWAĆ SIĘ DO BADAŃ

Jak przygotować się do badania mamograficznego, cytologicznego, kolonoskopii, gastroskopii, USG dróg moczowych, USG jamy brzusznej, PET/CT? USG jamy brzusznej należy…

KOŃ JAK CZŁONEK RODZINY

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

JAKĄ MASZ SAMOOCENĘ?

Poznaj wartość samego siebie i żyj lepiej. Ktoś o niskim poczuciu własnej wartości czuje się gorszy. Efekt? Taka osoba często…

MASZ CUKRZYCĘ I PALISZ?

Palenie w cukrzycy pogarsza sytuację chorego. Cukrzyca to zwiększone ryzyko zawału serca, udaru mózgu i zgonu. U palacza z cukrzycą…

MINI CONCEPT ACEMAN

Pierwszy elektryczny model crossover w nowej rodzinie MINI. MINI prezentuje model studyjny jako zapowiedź nowej koncepcji pojazdu w segmencie małych…

RAK PROSTATY A SZTUCZNA INTELIGENCJA

Sztuczna inteligencja pomaga w diagnozie raka prostaty Opracowana przez polskich naukowców metoda wykorzystania sztucznej inteligencji opartej na sieci neuronowej może…

SZANUJ PSA

Szanujmy potrzeby i predyspozycje poszczególnych ras – radzą weterynarze. Wszystkie psy mają 78 chromosomów, w których zawarta jest informacja genetyczna…

DEKAMERON – SKĄPIEC GRIMALDI

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

USUWANIE ZŁYCH NAWYKÓW

Psycholog o usuwaniu złych nawyków: każde nasze działanie ma jakiś cel Nie każde działanie nawykowe może wydawać się sensowne. Ale…

OGRÓDKI DZIAŁKOWE W CHICAGO

Naukowcy na tropie ogródków działkowych w Chicago. W całym Chicago istnieje 4 648 działek uprawnych o łącznym areale 264 181…

OLEJ PALMOWY A ŚRODOWISKO

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

DEKAMERON – DZIWNE MAŁŻEŃSTWO

DZIEŃ DRUGI Opowieść III Pisownia oryginalna z 1930 roku Trzej bracia trwonią swoje majątki, popadając w ubóstwo. Jeden z ich…

DEKAMERON – FERONDO W CZYŚĆCU

DZIEŃ TRZECI Opowieść VIII Pisownia oryginalna z 1930 roku Ferondo, połknąwszy pewien proszek, zostaje pogrzebany, jako człek wrzekomo martwy. Opat,…

SPOT REKLAMOWY INNOWACYJNEJ BIŻUTERII

Reklama innowacyjnej biżuterii. Escadra-MPS / EVERGREEN MODELS do spotu reklamowego poszukuje mężczyzn i kobiet. Casting jest dwuetapowy. I Etap –…

DLACZEGO SIĘ KŁÓCIMY

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

ĆWICZENIA DLA SENIORÓW

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

KORALOWCE – BUDOWNICZOWIE RAF

Koralowce, budowniczowie raf, są sprytniejsze niż sądzono Koralowce to organizmy bardziej złożone, niż sądzili niektórzy badacze. Zwierzęta te potrafią regulować…

CUD MALINA

Maliny – nie zgadniesz, w jak wielu dolegliwościach mogą pomóc. Te aromatyczne i delikatne owoce od wieków były już stosowane…

DRAPIEŻNIKI – DAWNO, DAWNO TEMU…

Dawno temu na Śląsku: fascynujący świat drapieżników Dziesiątki tysięcy lat temu na terenie Sudetów i otaczających je równin śląskich, czeskich…

BIEGUNKA: CO JEŚĆ I PIĆ, BY SOBIE POMÓC

Zjedzenie niedogotowanego mięsa, niestarannie umytego jabłka może skończyć się biegunką, wywołaną przez patogeny w skażonej żywności. Biegunka może być też…

BIGOREKSJA

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

CASTING. SZUKAMY MŁODYCH MĘŻCZYZN

Do spotu reklamowego o ograniczonym zasięgu szukamy dwóch młodych mężczyzn. Realizacja spotu odbędzie się w połowie listopada w Poznaniu. Do…

DEKAMERON – PĄTNICZKA

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

WAKACJE NAD BAŁTYKIEM

Co się czai pod wodą W raporcie Najwyższej Izby Kontroli z roku 2020 możemy przeczytać, że eksperci uważają Bałtyk za…

WSZYSCY ODCZUWAMY TAK SAMO?

Dylematy wagonika rozwiązywane podobnie w różnych częściach świata. Ludzie z kultur Wschodu, Zachodu i Południa nie różnią się za bardzo…

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.…

DIETA DASH A CIŚNIENIE KRWI

Dieta DASH obniża ciśnienie krwi  To prawdziwa gwiazda wśród diet. Naukowcy udowodnili, że nie tylko skutecznie obniża ciśnienie tętnicze, ale…

PRZEWLEKŁE ZMĘCZENIE

Przewlekłe zmęczenie: 10 najczęstszych przyczyn Czujesz się ciągle zmęczony lub wyczerpany? Ulgi nie przynosi ci ani sen, ani nawet dwutygodniowy…

JASKRA CICHY ZŁODZIEJ WZROKU

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

STARE OBRAZY JAK NOWE

Naukowcy z UW opracowali nową metodę przywracania barw starym obrazom. Chemicy z UW we współpracy z Muzeum Narodowym w Warszawie…

SUKCES POLAKÓW DOTYCZĄCY MIKRO RNA

Przełom Polaków: mapa nowotworowych mutacji w genach związanych z mikroRNA Badacze z Poznania przeanalizowali ogromną bazę danych o komórkach nowotworowych…

PRZEDWCZESNE DOJRZEWANIE DZIECI

Kiedy mamy do czynienia z przedwczesnym dojrzewaniem? O przedwczesnym dojrzewaniu mówimy, gdy zaobserwujemy jego objawy u dziewcząt przed 8., a…


[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. :)

zostań naszym autorem
Skip to content