Эффект Лензе-Тирринга в действии: как ученые измеряют «закручивание» пространства-времени

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

Общая теория относительности Эйнштейна, революционизировавшая наше представление о гравитации, предсказывает ряд удивительных явлений, одним из которых является эффект Лензе-Тирринга. Суть его заключается в том, что вращающийся массивный объект, будь то планета, звезда или черная дыра, «увлекает» за собой окружающее пространство-время, создавая своеобразный вихрь.

Для наглядности можно представить себе шар, погруженный в густую жидкость. Когда шар начинает вращаться, он неизбежно заставляет окружающую его жидкость тоже двигаться. Аналогичным образом, вращающиеся небесные тела, подобно гигантским «шарам» в ткани пространства-времени, заставляют саму эту ткань «вращаться» вокруг себя.

Долгое время эффект Лензе-Тирринга оставался в тени более известных предсказаний ОТО, таких как гравитационные волны или искривление света. Его экспериментальное подтверждение оказалось весьма сложной задачей, требующей создания высокоточных инструментов и проведения масштабных экспериментов. Лишь сравнительно недавно, благодаря таким проектам как Gravity Probe B, удалось получить убедительные доказательства существования этого эффекта.

Эффект Лензе-Тирринга, иллюстрация
Эффект Лензе-Тирринга, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Однако, используемые в настоящее время методы измерения имеют свои ограничения. Например, для определения угловой скорости «увлечения» пространства-времени, необходимо использовать далекие звезды в качестве опорных точек. Это не всегда возможно, да и сами звезды не являются абсолютно неподвижными объектами.

В поисках новых, более эффективных способов изучения эффекта Лензе-Тирринга, ученые обращаются к квантовой теории поля. Возникает вопрос: что произойдет, если поместить в вихрь пространства-времени не классический объект, а квантовую частицу, например, атом?

Исследователи из Пекинского научно-исследовательского центра вычислительной науки предлагают новый, нетривиальный подход к изучению этого вопроса. Они обратили внимание на то, что вращающаяся система отсчета во многом напоминает пространство-время вблизи вращающейся черной дыры. Важно отметить, что в такой системе отсчета даже покоящиеся атомы могут испытывать возбуждение, взаимодействуя с квантовыми полями.

Скорость возбуждения атомов при различных Ω
Скорость возбуждения атомов при различных Ω
Автор: Rui-Chen Liu, C. P. Sun; arXiv:2408.13016 [gr-qc]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.13016 CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Для того, чтобы количественно оценить влияние эффекта Лензе-Тирринга на квантовые объекты, ученые проанализировали, как меняется скорость возбуждения атомов, движущихся по круговым орбитам вокруг вращающегося тела. Результаты оказались весьма интересными: скорости возбуждения атомов, движущихся с разной скоростью, образуют своеобразный «конверт», верхняя граница которого напрямую связана с частотой Лензе-Тирринга — параметром, характеризующим силу «увлечения» пространства-времени.

Это открытие имеет важное практическое значение, поскольку позволяет разработать новые методы измерения эффекта Лензе-Тирринга. Вместо сложных и дорогостоящих экспериментов с гироскопами, можно использовать квантовые детекторы, основанные на измерении скорости возбуждения атомов.

Квантовый детектор эффекта перетягивания кадров состоит из кольцевой структуры, на которой закреплена коробка, заполненная атомарным газом, вращающаяся по кругу вместе с кольцом
Квантовый детектор эффекта перетягивания кадров состоит из кольцевой структуры, на которой закреплена коробка, заполненная атомарным газом, вращающаяся по кругу вместе с кольцом
Автор: Rui-Chen Liu, C. P. Sun; arXiv:2408.13016 [gr-qc]; DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2408.13016 CC-BY 4.0 Источник: arxiv.org

Авторы исследования предлагают использовать в качестве детектора кольцо, на котором размещена емкость с большим количеством атомов. Вращая кольцо с определенной скоростью, можно добиться резонанса между атомами и полем, вызванного эффектом Лензе-Тирринга. Измеряя скорость возбуждения атомов при разных скоростях вращения кольца, можно определить частоту Лензе-Тирринга.

Ключевым преимуществом такого подхода является то, что он не требует использования внешних опорных точек, таких как далекие звезды. Измерения основываются на нелокальных свойствах квантовой теории поля, позволяющих «чувствовать» структуру пространства-времени непосредственно в точке измерения.

Таким образом, исследование эффекта Лензе-Тирринга с помощью квантовых методов открывает перед нами новые горизонты в изучении гравитационных полей. Этот подход, основанный на глубоком переплетении квантовой теории и общей теории относительности, может привести к созданию принципиально новых инструментов для исследования Вселенной и, возможно, к новым открытиям, которые изменят наше представление о природе пространства и времени.

1 комментарий

111306707747127544032@google
Почему не взяли как опорную точку полярную звезду что практически неподвижна

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Мультиметр для автодиагностики FNIRSI TMP-610S: обзор осциллографа, цифрового генератора и тестера сигналов в одном корпусе

В одном корпусе осциллограф, цифровой генератор и тестер сигналов — такое устройство позволяет не только видеть статические значения амплитуды, но и анализировать форму сигналов,...

Обзор и тест мини-ПК Ninkear L20: Core Ultra 5 226V, Intel Arc 130V и локальный ИИ

Когда-то компактный компьютер приходилось выбирать по принципу «лишь бы хватило мощности для браузера и документов». Сейчас ситуация изменилась. В корпусе объёмом меньше литра уже можно...

Эта птица глотает кости целиком: как бородач умудряется их переваривать

Когда от погибшего животного остаются почти одни кости, для большинства падальщиков еда уже закончилась. Но бородач всё ещё может здесь пообедать. Эта крупная горная птица подбирает кости и глотает...

Зачем NASA отправило на орбиту серебристый шар размером с дом

В начале 1960-х спутниковая связь ещё была экспериментом. Инженерам предстояло выяснить, можно ли передавать через космос обычный телефонный разговор и какое оборудование для этого...

Зачем крекеру дырки: история и немного морской романтики

Крекеры — это лаконичный, но невероятно практичный продукт, который давно занял своё место в рационе многих людей. Их ценят за нейтральный вкус и приятную текстуру: они отлично оттеняют...