Физики разработали концепцию настольного квантового датчика на основе охлажденного жидкого гелия, способного зарегистрировать неуловимое искривление ткани пространства-времени непосредственно в лаборатории. Предложенный прибор позволит измерить релятивистский эффект увлечения инерциальных систем отсчета (эффект Лензе — Тирринга) с беспрецедентной точностью и без необходимости запускать дорогостоящие космические миссии.
Квантовый гирометр на основе сверхтекучего гелия-4 измеряет увлечение пространства-времени за счет детектирования разности фаз на джозефсоновском переходе при охлаждении до 10 милликельвинов в земной лаборатории.
Ключевые тезисы:
- Физики предложили схему настольного квантового гирометра на гелии-4 для измерения релятивистского увлечения пространства-времени Землей без отправки спутников в космос.
- Охлаждение установки до 10 милликельвинов подавляет тепловой шум, позволяя превзойти точность космических измерений за меньшее время.
- Для реализации эксперимента лаборатории Калтеха предстоит изготовить джозефсоновские нанопереходы, способные стабильно работать при температурах в тысячные доли кельвина.
Вращение планеты и невидимый вихрь пространства
Общая теория относительности Альберта Эйнштейна описывает гравитацию как искривление четырехмерного пространственно-временного континуума. Одно из фундаментальных следствий этой теории заключается в том, что массивное вращающееся тело не просто покоится в пространстве, а плавно увлекает окружающее пространство-время вслед за своим движением.
В реальном мире этот феномен, известный как увлечение инерциальных систем отсчета, проявляется в виде прецессии — медленного изменения направления осей вращения гироскопов относительно далеких звезд. По сути, вращающаяся Земля непрерывно смещает локальные гироскопы вместе со своей орбитальной динамикой. До сих пор наиболее надежные подтверждения этого явления удавалось получить исключительно во время экспериментов в космическом пространстве, поскольку в земных условиях столь тонкий сигнал моментально растворяется в окружающем шуме.
Идея перенести сложнейшие гравитационные тесты из открытого космоса на обычный лабораторный стол зародилась во время научного визита теоретиков в Вену. Первый автор исследования Кай-Исаак Эллерс и профессор Биргитта Уэйли из Калифорнийского университета в Беркли обсуждали фундаментальные проблемы физики с Маркусом Аспельмейером в Институте квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук.
К дискуссии подключился теоретик Мариос Христодулу, искавший новые способы применения сверхтекучего гелия для прецизионных гравитационных измерений. Поскольку Уэйли обладала обширным опытом изучения сверхтекучести в наноструктурах, а Эллерс разрабатывал схемы настольных гравитационных тестов, исследователи быстро пришли к идее квантового гирометра. Чтобы концепция не осталась набором абстрактных формул, теоретики связались с физиком-экспериментатором Китом Швабом из Калифорнийского технологического института, руководителем лаборатории по созданию сверхтекучих устройств. Итоговый проект ученые опубликовали в научном журнале Physical Review Letters.
Квантовый бублик с незатухающим потоком
В основу конструкции нового датчика легли уникальные свойства изотопа гелия-4, переходящего в квантовое состояние при глубоком охлаждении [ВСТАВИТЬ ССЫЛКУ НА СТАТЬЮ О СВЕРХТЕКУЧЕСТИ ГЕЛИЯ]. При температуре ниже 2,17 Кельвина (около −271 °C) это вещество становится сверхтекучим и полностью теряет внутреннее трение, приобретая способность циркулировать без малейшей потери кинетической энергии.
Авторы проекта предложили заполнить сверхтекучим гелием трубку в форме тора (бублика), разделив поток тонким барьером с нанопорами — аналогом контакта Джозефсона. При вращении прибора сквозь этот барьер возникает квантовомеханическая разность фаз. Физическое проявление этой фазовой разницы авторы предлагают фиксировать с помощью сверхчувствительной механической мембраны, механически связанной с замкнутым контуром сверхтекучей жидкости.
Ранее команда профессора Ричарда Паккарда из Калифорнийского университета в Беркли уже создавала подобные датчики и даже сумела замерить с их помощью скорость вращения Земли. Однако зафиксировать несравненно более слабый сигнал от увлечения пространства-времени на тех установках было невозможно: релятивистская добавка просто тонула в хаотических тепловых колебаниях среды.
Укрощение теплового шума на грани абсолютного нуля
Главное теоретическое новшество новой работы состоит в радикальном охлаждении системы глубоко за пределы стандартной точки фазового перехода. Опираясь на многолетний опыт Кита Шваба в изучении шумов в квантовых жидкостях, исследователи провели детальный анализ поведения сверхтекучего гелия при экстремально низких температурах.
Расчеты показали, что если охладить гирометр до 10 милликельвинов (всего несколько тысячных долей градуса выше абсолютного нуля), тепловой шум снижается настолько, что прибор становится способен различить тончайшие искажения метрики пространства. По чувствительности такой настольный гирометр способен сравниться с лучшими космическими экспериментами прошлого или даже превзойти их, потребовав при этом существенно меньше времени на накопление статистики.
Помимо регистрации эффектов вращения, создаваемый квантовый контур позволит изучать гравитационное замедление времени. Изменения в состоянии гелия способны отразить микроскопическую разницу во времени прохождения путей по разным сторонам тороидального кольца. Это открывает перспективу исследовать физические процессы на масштабах времени, превышающих фундаментальное планковское время всего на несколько порядков.
Практические трудности на пути к воплощению
Предложенный проект пока остается математически выверенным чертежом, требующим преодоления серьезных инженерных вызовов. Ключевая экспериментальная задача исследователей — создать джозефсоновские переходы для гелия-4, сохраняющие стабильную работоспособность в милликельвиновом температурном диапазоне, тогда как прежние аналоги работали лишь вблизи 2,17 Кельвина.
В настоящее время коллектив лаборатории Шваба в Калтехе уже ведет практическую разработку таких криогенных компонентов. Параллельно теоретики выясняют, сможет ли сверхтекучий гирометр зарегистрировать гипотетические эффекты, выходящие за рамки эйнштейновской теории, ведь увлечение пространства относится к чисто релятивистским явлениям и принципиально отсутствует в классической ньютоновской гравитации.
Поддержать нас на Boosty
Поддержать нас на Дзен
FAQ: Часто задаваемые вопросы
В чем заключается суть эффекта увлечения пространства-времени?
Эффект увлечения инерциальных систем отсчета, предсказанный общей теорией относительности, заключается в том, что массивное вращающееся тело вовлекает окружающее четырехмерное пространство-время в свое вращательное движение. На практике это приводит к медленному смещению оси вращения гироскопов относительно далеких звезд.
Почему для измерений релятивистского эффекта выбран именно гелий-4?
При охлаждении ниже 2,17 Кельвина гелий-4 переходит в сверхтекучее состояние и течет без вязкости и трения, образуя макроскопическую квантовую систему. Это позволяет сформировать замкнутый контур с джозефсоновским переходом, в котором вращение порождает детектируемую разность квантовомеханических фаз.
Зачем охлаждать квантовый гирометр до 10 милликельвинов?
При температурах около 2 Кельвина крошечный релятивистский сигнал увлечения пространства полностью перекрывается случайным тепловым шумом квантовой жидкости. Охлаждение датчика до тысячных долей градуса выше абсолютного нуля подавляет тепловые флуктуации и обеспечивает необходимую чувствительность прибора.
Источник: Kai-Isaak Ellers et al., Quantum Sensing of Gravitational Frame Dragging with a Superfluid He 4 Gyrometer, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/q3v9-rjm9.
Читайте также: Пространство-время умеет кристаллизоваться и схлопываться в черные дыры