Квантовые аналоги гравитационных волн: новый шаг в изучении Вселенной?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

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

Крылья бабочек создают оптическую иллюзию в полете, заставляя хищников промахиваться

В живой природе дневные бабочки представляют собой заметную и уязвимую цель. Они летают в светлое время суток, их крылья покрыты яркими полосами и пятнами, а частота взмахов относительно мала....

В ракету «Аполлон-12» дважды ударила молния в первую минуту полёта к Луне

14 ноября 1969 года «Аполлон-12» отправился к Луне под дождём. Через 36,5 секунды после старта в ракету Saturn V ударила молния, а на 52-й секунде последовал второй разряд. В кабине загорелись...

Технологическая сингулярность уже наступила? Как ИИ-агенты вышли из-под контроля, но провалили базовые тесты на логику

В последние месяцы руководители крупнейших компаний по разработке программного обеспечения сделали ряд громких заявлений. Они сообщили, что развитие искусственного интеллекта подошло к моменту...

Сверчок вместо термометра: можно ли определить температуру воздуха по частоте его стрекота

Тёплым вечером стрекот сверчков кажется просто частью летнего шума. Но стоит прислушаться несколько ночей подряд, и обнаруживается любопытная закономерность: в жару «музыка» становится заметно...

«Коллапс знаний»: почему ИИ-чат-боты делают наше мышление более плоским и стереотипным

Поисковые системы меняют привычный формат работы. Вместо списка ссылок на независимые сайты пользователи все чаще видят готовые текстовые ответы, сгенерированные искусственным интеллектом прямо на...

Почему самую высокую плотину Италии никто не использует

На севере Италии, в узкой долине на реке Вайонт по сей день можно увидеть грандиозную плотину в 260 метров высотой. Даже сегодня она кажется прямо скажем гигантской, а в 60-е официально была самой...