Камень как часы: физик использует материю для определения времени

Еще когда Хольгер Мюллер был обычным немецким мальчиком, он спрашивал себя: чем есть время?

Сегодня он — ассоциированный профессор физики в Калифорнийском Университете, Беркли. Давнишний вопрос привел Мюллера (Holger Müller) к фундаментально новому принципу измерению времени.

Положив в основу тот факт, что в природе материя может быть одновременно и частицей, и волной, он обнаружил способ определять время по подсчету колебаний волн материи. А частота волн материи в 10 миллиардов раз выше, чем у видимого света.

«Грубо говоря, камень — тоже часы», — говорит Мюллер.

В статье, которая должна появиться в выпуске журнала Science, Мюллер и его коллеги из Беркли описывают, как определить время используя лишь волны материи от атома цезия. Он сам называет свой метод часами Комптона, поскольку он базируется на так называемой частота волн материи Комптона.

«Когда я в молодости читал научные книги, я всегда удивлялся, почему там так мало объяснений природы времени, — сказал Мюллер, который также является гостевым ученым в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли. — С тех пор, я часто спрашивал себя «Что может быть простым для измерения времени; простой системой,  которая бы чувствовала на себе его течение?» И сегодня у нас есть верхний предел: одной массивной частицы вполне достаточно ».

Хотя часы Комптона еще в 100 миллионов раз менее точные, чем лучшие сегодняшние атомные часы, где используются ионы алюминия, ученый говорит, что с улучшением технологии его прибор может догнать точность атомных часов, включая Цезиевые часы, которые сейчас используются для определения секунды.

«Это красивый и очень продуманный эксперимент, однако вокруг него до сих пор идут обсуждения и споры, — говорит Джон Клоуз (John Close), квантовый физик из Австралийского национального университета в Канберре. — Вопрос звучит как «Есть ли часами комптоновского частота атомов? «. Сегодня Хольгер изложил свою точку зрения. Это — действительно часы. Я тоже сделал один и он работает».

Мюллер приветствует обсуждения, поскольку в его эксперименте рассматривается основная концепция квантовой механики — корпускулярно-волновая двойственность материи. Эта концепция озадачивает студентов уже почти 90 лет.

«Мы говорим о действительно фундаментальные идеи, — говорит Клоуз. — Обсуждение создаст лучшее понимание квантовой физики».

Мюллер также может развернуть технологию в обратную сторону и использовать время для определения массы. Контрольной массой сегодня платинум-иридиевий цилиндр, вес которого признано равной одному килограмму. Этот эталон массы хранится под замком в палате мер и весов во Франции, а его точные копии скупо рассеяны светом. Используя технологию волн материи Мюллера, у исследователей будет новый способ для создания своего собственного эталона килограмма.

«Безумная» идея де Бройля

Мысль о том, что материю можно рассматривать как волну была тезисом докторской работы Луи де Бройля в 1924. Он взял теорию Альберта Эйнштейна об эквивалентности энергии и массы (E = mc ²) и скомбинировал ее с теорией Эрнста Планка о связи между любой энергией и частотой. Де Бройль выдвинул идею волновых свойств материи, за что в 1929 году был награжден Нобелевской премией.

Однако использование материи как часов кажется надуманным, поскольку частота волн, которую называют частотой Комптона или де Бройля, может быть не наблюдаемой. И даже если ее можно увидеть, скорость колебаний может быть слишком большим для измерения.

Однако два года назад Мюллер обнаружил способ использовать волны материи для подтверждения гравитационного красного смещения Эйнштейна — действительно, время замедляется в гравитационном поле. Для того, чтобы это выполнить, ученый создал атомный интерферометр, который рассматривает атомы как волны и определяет их интерференцию.

«Тогда я думал, что это очень и очень специализированное использование волн материи как часы, — говорит Мюллер. — Когда вы делаете «дедушку» часов, в его основе лежит маятник и часовой механизм, который подсчитывает колебания. Поэтому вам нужно что-то, что будит колебаться и часовой механизм для создания часов. Не было никакого способа создать часовой механизм для волн материи, поскольку частота их колебаний в десять миллиардов раз выше колебания видимого света».

В прошлом году ученый однажды утром решил, что должен быть способ скомбинировать две хорошо известные технологии для создания подобного часового механизма и явно показать, что частота Комптона для одной частицы, на самом деле, может использоваться как эталон для часов. В теории относительности время замедляется для движущихся объектов,  поэтому один из близнецов, который полетит к далеким звездам и вернется будет моложе своего брата, который останется на Земле. Это явление называют парадоксом близнецов.

Похожим образом атом цезия, который улетает прочь и возвращается моложе чем атом, который остается на месте. В результате волны материи цезия, что движется будут колебаться меньше раз. Разность частот составит примерно 100 000 колебаний в секунду с 10 миллион миллиардов миллиардов колебаний (3 * 10 ²⁵ для атома цезия) — и это уже можно измерить.

В лаборатории Мюллер показал, что может измерить эту разницу, позволив волнам материи неподвижных и подвижных атомов цезия интерферировать в атомном интерферометре. Атомы приводятся в движение колебаниями фотонов от лазера, который не влияет на атомы цезия. Используя оптическую гребенку частот, ученый синхронизировал лазерный луч в интерферометре с разностной частотой между волнами материй так, что все частоты основываются исключительно на самой волне материи.

Часы Комптона и сферы Авогадро

Предложение Мюллера создать стандарт массы, основанный на времени дает новый способ реализации планов международной Генеральной конференции мер и весов по замене эталона килограмма чем-то более фундаментальным. При этом будет задействован чистейший кристалл кремния, называемый сферой Авогадро, создан так искусно, что число атомов в нем известно с большой точностью.

По вопросу «что такое время», то Мюллер говорит: «Я не думаю, что кто-то когда-то сможет получить окончательный ответ, однако теперь мы знаем немного больше о его свойствах. Время есть физической величиной, пока существует по крайней мере одна массивная частица, однако оно явно есть чем-то, что требует существования более одной частицы. Мы знаем, что безмассовой частицы, например, фотона, для этого недостаточно ».

Мюллер надеется перевести свою технологию на еще меньшие частицы, например, электроны или даже позитроны, для создания часов антиматерии. Он полон надежды, что когда-нибудь сможет определять время, используя квантовые флуктуации в вакууме.

Автор: Роберт Сандерс
Источник: UC Berkeley