Stolni kvantni uređaj bi mogao izmjeriti kako Zemlja uvija prostor-vrijeme

Tim fizičara predložio je novi laboratorijski uređaj veličine stola koji bi mogao detektovati nježan efekt predviđen Einsteinovom općom teorijom relativnosti — uvrtanje prostora-vremena koje izaziva Zemljina dnevna rotacija. Efekt, poznat kao povlačenje referentnog okvira (frame dragging), dosad je mjeren samo iz orbite, a novi senzor bi ga, prema proračunima istraživača, mogao izmjeriti istom preciznošću kao najbolji satelitski eksperimenti — u minutama umjesto godinama.

Istraživanje je objavljeno 17. septembra u časopisu Physical Review Letters. Prvi autor studije je Kai-Isaak Ellers, doktorand fizike na UC Berkeley (University of California, Berkeley). On je za Live Science objasnio motivaciju klasičnim primjerom: prsten satova pričvršćenih za rotirajući vrtuljak nemoguće je uskladiti — kada se svaki sat poredi sa susjednim, posljednji i prvi na kraju ne pokazuju isto vrijeme. „Nemoguće je sinhronizirati tu zbirku satova kad ste u rotirajućem okviru", rekao je Ellers.

Satelitska mjerenja

Opća relativnost predviđa da masa koja se rotira povlači tkaninu prostora-vremena sa sobom, poput kašike koja se okreće u medu. Efekt je izražen oko supermasivnih objekata, poput centralne crne rupe Mliječnog puta, ali oko Zemlje je izuzetno slab. NASA-in satelit Gravity Probe B, sa četiri žiroskopa, potvrdio je 2011. Einsteinovo predviđanje s marginom greške od oko 18 posto. U julu su istraživači u časopisu Nature objavili da je satelit LARES-2, praćen laserima, smanjio tu grešku na svega 0,2 posto — ali tome je prethodilo oko tri godine laserskog praćenja.

Pri satelitskim mjerenjima istraživači su, osim toga, morali uzeti u obzir da je Zemlja ispupčena na ekvatoru i da joj je masa neravnomjerno raspoređena, što gravitaciji daje male nepravilnosti koje djeluju na satelite mnogo jače od samog povlačenja okvira. Kako bi oduzeli te uticaje, tim se oslanjao na detaljne mape Zemljine gravitacije. Preciznije mjerenje povlačenja okvira način je da se opća relativnost podvrgne stres-testu: neke alternativne teorije gravitacije predviđaju, naime, nešto drugačiju količinu uvrtanja, a laboratorijsko mjerenje ne bi zavisilo ni od pretpostavki modela na koje se oslanjaju satelitski eksperimenti, objasnio je Ellers.

Superfluidni helij

Novi uređaj čini petlja od superfluidnog helija-4 — helija ohlađenog do te mjere da teče bez trenja i ponaša se kao jedan veliki kvantni objekat. Petlju prekida tanka pregrada puna sitnih otvora, takozvani Josephsonov spoj. Superfluidni helij može proći kroz otvore, ali običan tečni helij ne može. „Odatle dolazi kvantno ponašanje", rekla je K. Birgitta Whaley, kvantna fizičarka na UC Berkeley-u i suautorica studije.

Kako se Zemlja okreće i povlači prostor-vrijeme, to pomjera kvantno stanje helija koji prolazi kroz spoj, a ta promjena mijenja frekvenciju kojom se helij u petlji njihao naprijed-nazad — što istraživači mogu detektovati. Superfluidni uređaji, mnogi izrađeni upravo na UC Berkeley-u, detektuju Zemljinu rotaciju još od kraja 1990-ih. Međutim, verzije s helijem-4 oko Josephsonovog spoja radile su na stotinki stepena iznad 2,17 K (minus 270,98 Celzijusa), temperature na kojoj helij-4 postaje superfluidan. Na toj temperaturi zaostali udio „normalnog" helija pomiješanog sa superfluidom dodaje šum. Tim je umjesto toga izračunao kako bi se uređaj ponašao na nekoliko hiljaditih stepena iznad apsolutne nule. Ispod 0,7 K šum mijenja karakter i naglo opada kako se helij hladi. Ključni nalaz studije upravo je analiza termičkog šuma koja pokazuje koliko bi takvi uređaji bili osjetljivi na milikelvinskim temperaturama, pojasnio je Ellers.

Prepreka je, međutim, pregrada. Raniji uređaji s helijem-4 koristili su otvore široke oko 90 nanometara, a rad na ekstremno niskim temperaturama zahtijeva znatno manje otvore, oko jednog nanometra — veličine atoma helija. Keith Schwab, fizičar s Caltecha i suautor studije, sa saradnicima razvija takve materijale, ali oni još nisu ugrađeni u funkcionalni senzor. Ako to uspije, uređaj bi, prema proračunima istraživača, mogao izmjeriti Zemljino uvrtanje prostora-vremena s preciznošću od 0,2 posto u oko 35 minuta. Ako bi se njegova vibrirajuća membrana izradila od kristala s najmanjim gubicima, poput kvarca ili safira, to bi se vrijeme, kažu, moglo smanjiti na oko jednu sekundu.

„Čini se da je ovo vrlo sretna slučajnost da na milikelvinskim temperaturama možemo postići takvu osjetljivost", rekla je Whaley za Live Science. Signal odgovara vremenskoj razlici od oko 10⁻³⁵ sekundi između helija koji teče jednim smjerom kroz petlju i drugim — istoj razlici kao kod satova na metaforičkom vrtuljku. „Zanimljivo je koliko je to malo", rekla je Whaley. „Nije tako daleko od Planckovog vremena", od oko 10⁻⁴⁴ sekunde, najkraćeg odsječka vremena prije kojeg se očekuje da poznati zakoni fizike prestaju važiti. Ovaj eksperiment je, prema njenim riječima, i dalje milijardu puta prevelik da dostigne tu granicu. Budući eksperimenti s helijem, međutim, mogli bi pomoći u istraživanju teče li vrijeme glatko, poput rampe, ili se odmjerava u sitnim, nedjeljivim koracima, poput kadrova filma.