Квантовые аналоги гравитационных волн: новый шаг в изучении Вселенной?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вселенная не устает подбрасывать нам головоломки, и одна из самых захватывающих — это гравитационные волны. Эта рябь пространства-времени, рождаемая в титанических космических катаклизмах, стала настоящим научным прорывом последних лет. Её существование, предсказанное еще Эйнштейном, подтвердилось совсем недавно, открыв новую эру в астрономии.

Однако регистрация гравитационных волн — дело кропотливое и сложное. Их амплитуда невероятно мала, а энергия, необходимая для их генерации в лабораторных условиях, на сегодняшний день недостижима. Возникает вопрос: можно ли изучать эти неуловимые волны, не заглядывая в бездну космоса?

На помощь приходят аналоги — системы, которые, несмотря на внешнюю непохожесть, позволяют моделировать отдельные аспекты гравитации. Именно такую роль, как выяснилось, могут сыграть квантовые спиновые нематики — своеобразные квантовые состояния, встречающиеся как в некоторых магнитных материалах, так и в облаках ультрахолодных атомов.

Рябь пространства-времени, иллюстрация
Рябь пространства-времени, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

В чем же заключается уникальность спиновых нематиков? Их внутренний мир описывается специальным математическим объектом — тензором. Тензор — это не просто набор чисел, а величина, способная характеризовать свойства среды в разных направлениях. Примечательно, что на языке тензоров строится и общая теория относительности — наша современная теория гравитации.

Но и это еще не все! Оказывается, возбуждения в квантовых спиновых нематиках, так называемые квазичастицы, обладают рядом сходств с гипотетическими гравитонами — переносчиками гравитационного взаимодействия. Как и гравитоны, эти квазичастицы являются безмассовыми и имеют спин, равный 2. Другими словами, они «вращаются» в абстрактном пространстве с той же «скоростью», что и гравитоны.

Квадрупольная природа гравитационных волн и мод Голдстоуна спин-нематического порядка, визуализированных через связанные с ними искажения пространства-времени, или спин-нематическое основное состояние. Результаты показаны для волны с длиной волны ? и периодом ?, с поляризацией ?+, распространяющейся вдоль оси z. В случае гравитационных волн, ?1,?2 представляют собой оси ? и ? пространства-времени, а величина, изображенная на графике, является поверхностью постоянной деформации. В случае спин-нематического порядка ?1,?2 представляют спиновые компоненты ?? и ??, а величина, изображенная на графике, - это изменение параметра спин-нематического порядка. Синие поверхности обозначают положительную деформацию, оранжевые - отрицательную деформацию
Квадрупольная природа гравитационных волн и мод Голдстоуна спин-нематического порядка, визуализированных через связанные с ними искажения пространства-времени, или спин-нематическое основное состояние. Результаты показаны для волны с длиной волны ? и периодом ?, с поляризацией ?+, распространяющейся вдоль оси z. В случае гравитационных волн, ?1,?2 представляют собой оси ? и ? пространства-времени, а величина, изображенная на графике, является поверхностью постоянной деформации. В случае спин-нематического порядка ?1,?2 представляют спиновые компоненты ?? и ??, а величина, изображенная на графике, — это изменение параметра спин-нематического порядка. Синие поверхности обозначают положительную деформацию, оранжевые — отрицательную деформацию
Автор: Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka Akagi, and Nic Shannon Phys. Rev. B 109, L220407 — Published 14 June 2024 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.L220407 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Представим себе на мгновение, что мы можем наблюдать за квантовым миром непосредственно. Вглядываясь в глубины спинового нематика, мы увидели бы своеобразные волны, распространяющиеся в этой квантовой среде. Они возникают благодаря специфическим дефектам структуры — вихрям, — и во многом напоминают гравитационные волны, пронизывающие ткань пространства-времени.

Спин-нематическое состояние на треугольной решетке и его спин-2 возбуждения. (a) Ферроквадрупольное (FQ) основное состояние, в котором квадрупольные моменты спинов выровнены по общей оси. (b) Дисперсия возбуждений вокруг состояния FQ, определяемая фактором квадрупольной структуры ?Q(?,?). Линейный характер дисперсии на большой длине волны, ?(?)=?|?| (черная пунктирная линия), согласуется с предсказаниями теории поля. О спин-2 природе длинноволновых возбуждений можно судить по высокой интенсивности структурного фактора при низких энергиях. Результаты показаны для спин-1 билинейной биквадратичной (BBQ) модели, с параметрами ?1=0, ?2=-1
Спин-нематическое состояние на треугольной решетке и его спин-2 возбуждения. (a) Ферроквадрупольное (FQ) основное состояние, в котором квадрупольные моменты спинов выровнены по общей оси. (b) Дисперсия возбуждений вокруг состояния FQ, определяемая фактором квадрупольной структуры ?Q(?,?). Линейный характер дисперсии на большой длине волны, ?(?)=?|?| (черная пунктирная линия), согласуется с предсказаниями теории поля. О спин-2 природе длинноволновых возбуждений можно судить по высокой интенсивности структурного фактора при низких энергиях. Результаты показаны для спин-1 билинейной биквадратичной (BBQ) модели, с параметрами ?1=0, ?2=-1
Автор: Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka Akagi, and Nic Shannon Phys. Rev. B 109, L220407 — Published 14 June 2024 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.L220407 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Как же изучать эти волны, скрытые от нас множеством атомных слоев? Ученые предлагают использовать в качестве модели облака ультрахолодных атомов — системы, где температура опускается до невероятно низких значений, близких к абсолютному нулю. В этих экстремальных условиях атомы образуют своеобразную квантовую жидкость, поведение которой можно контролировать с высокой точностью.

Численное моделирование вихрей в спин-нематическом состоянии, показывающее, как квадрупольные волны, аналогичные гравитационным, создаются, когда пара вихрей закручивается в спираль и аннигилирует. Отдельные кадры взяты из динамического моделирования ферроквадрупольного состояния (FQ) в спин-1 билинейной биквадратичной (BBQ) модели на треугольной решетке
Численное моделирование вихрей в спин-нематическом состоянии, показывающее, как квадрупольные волны, аналогичные гравитационным, создаются, когда пара вихрей закручивается в спираль и аннигилирует. Отдельные кадры взяты из динамического моделирования ферроквадрупольного состояния (FQ) в спин-1 билинейной биквадратичной (BBQ) модели на треугольной решетке
Автор: Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka Akagi, and Nic Shannon Phys. Rev. B 109, L220407 — Published 14 June 2024 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.L220407 CC-BY 4.0 Источник: journals.aps.org

Создавая и направляя вихри в этой жидкости, физики надеются не только воспроизвести аналоги гравитационных волн, но и детально изучить их свойства. Это откроет перед нами возможности для исследования явлений, наблюдение которых в космосе крайне затруднено.

Конечно, путь этот не будет легким. Но он сулит удивительные открытия и позволит нам прикоснуться к тайнам одного из самых загадочных явлений Вселенной — гравитации.

10 комментариев

Добавить комментарий

Nekrosof
Не помню, чтоб кто-то открывал гравитоны. Так что пока они гипотетические.
1
«Гравитационные волны» создаются на поверхности Земли потоками космических частиц. В реальности нет никаких искривлений пространства и времени, а «гравитационные волны» — изменения веса, зависят от рельефа местности. Это может проверить каждый, кому не жалко 350$ на точные весы.
1
Суточные изменения веса на открытых с севера местах синхронны с положением Луны. Также присутствуют плавные изменения веса, к примеру в последние годы вес уменьшается. В северых широтах изменения веса, синхронные с положением Луны, больше. Южнее больших горных массивов, у их подножья, наблюдаются только плавные изменения веса, суточные, синхронные с положением Луны отсутствуют. Если удаляться от этих горных массивов на юг, суточные изменения веса начинают проявляться. Я могу объяснить это только потоком частиц, падающим под острым углом к поверхности Земли с севера (для Северного полушария). В моменты восхода и захода этого потока частиц, на открытых с севера местах можно наблюдать максимальные «гравитационные волны» из-за неравомерного поглощения частиц поверхностным слоем Земли.
1
Суточные изменения веса не зависят от положения Солнца.
Ruby_Rougarou
К сожалению, Маск сейчас не отвечает на мои сообщения в телеграме — занят обсуждением женского бокса на олимпиаде. Поэтому позже
1
Взвешивание проводилось в течении нескольких суток. Восход Солнца не приводит к росту веса. Пример графика зависимости веса от положения Луны и Солнца можно найти по запросу в поисковике «Изменения веса 1-3.01.2023 в 10 км южнее большого горного массива».
1
Горный массив находится севернее места взвешивания, тень от него на весы не падает. «Теоретических заморочек» не было. Изменения веса летом на относительно открытом месте можно увидеть по запросу в Гугл или Яндекс «Изменения веса 12.06.2022», выбрав «картинки». Больше графиков суточных изменений веса можно увидеть по запросу «суточные изменения веса гирьки» в Гугл или Яндекс картинках. По причине постоянного изменения ускорения свободного падения, особенно на открытых с севера местах в северных широтах (Северного полушария) точное взвешивание является сложной задачей. Можете описать ваш опыт с фотонами?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Поставил проектор на шкаф под углом, а он сам всё настроил на экран 130": обзор TrendVision Luma Arc

Когда хочется смотреть фильмы на большой диагонали, обычный телевизор уже не всегда кажется подходящим решением. Но с проекторами есть другая проблема: нужно найти место для установки, выставить...

Как буква «Ё» появилась в русском языке и почему её часто не используют

В книге можно встретить «елку», «ежика» и «теплый вечер» — и без труда понять, какие слова имелись в виду. Но с выражениями «все готово» или «мы узнаем» такой уверенности уже нет:...

Остров изгнанников: почему с острова Спиналонга в XX веке никто не возвращался

Остров, с которого не возвращаются. Звучит зловеще. Как сюжет для фильма ужасов не самого высокого пошиба, потому что тема, мягко говоря, избитая. Но это в кино, а в реальности и жуть, и интерес...

Белка не впадает в спячку: где она живёт зимой, если в дереве нет дупла

Зимой белку можно встретить в парке даже после снегопада. Она перебегает между деревьями, копается возле корней и снова исчезает в кроне. Но где зверёк проводит ночь, когда ветки покрыты снегом, а...

MuseHiFi U3 — мал, да удал — обзор мобильного ЦАПа/усилителя для наушников с 3,5 и 4,4 разъемами

Про компанию MuseHiFi я, конечно же, раньше слышал, но никогда ранее не имел дела с их девайсами. MuseHiFi — это китайский бренд, основанный в 2022 году и специализирующийся на...

Эксперимент с перелетом через континент: как камчатский краб перестроил Баренцево море

Осенью 1960 г. на борт пассажирского лайнера Ту-104 в Хабаровске загрузили девять деревянных ящиков со мхом и увлажненной марлей, внутри которых находились девять живых самок ракообразных с...