Ziemia dosłownie ciągnie za sobą czasoprzestrzeń. Einstein to przewidział

Ziemia nie tylko zakrzywia czasoprzestrzeń swoją masą. Obracając się, delikatnie pociąga ją również za sobą, wpływając na ruch obiektów znajdujących się w jej otoczeniu. Zjawisko przewidziane przez Einsteina udało się już potwierdzić za pomocą satelitów, ale fizycy chcą teraz zmierzyć je bezpośrednio w ziemskim laboratorium.

Międzynarodowy zespół naukowców przedstawił projekt niezwykle czułego urządzenia wykorzystującego hel schłodzony niemal do zera absolutnego. Według obliczeń odpowiednio skonstruowany czujnik mógłby wykonać pomiar w zaledwie 1 sekundę, zamiast gromadzić dane przez całe lata. To szansa na zupełnie nowy sposób testowania ogólnej teorii względności.

Zgodnie z ogólną teorią względności grawitacja nie jest po prostu siłą przyciągającą dwa obiekty. Masa i energia wpływają na geometrię czasoprzestrzeni, a znajdujące się w niej ciała poruszają się zgodnie z jej zakrzywieniem. Gdy masywny obiekt dodatkowo się obraca, pojawia się jeszcze jeden efekt.

Wirująca planeta nieznacznie zmienia lokalne układy odniesienia. W fizyce zjawisko to nazywa się wleczeniem układów inercjalnych albo efektem Lensego-Thirringa. Jego konsekwencją jest m.in. bardzo powolna zmiana orientacji żyroskopów i płaszczyzn orbit sztucznych satelitów.

Nie należy przy tym wyobrażać sobie czasoprzestrzeni jako rzeczywistej tkaniny, którą Ziemia owija wokół siebie. Chodzi o zmianę geometrii, wpływającą na sposób poruszania się materii. Wokół naszej planety efekt jest niezwykle słaby, choć w pobliżu szybko obracających się czarnych dziur może być znacznie silniejszy.

Na Spider’s Web opisywaliśmy już rekordowy pomiar tego zjawiska wykonany za pomocą satelity LARES-2. Naukowcy przez około 3 lata analizowali minimalne zmiany orbit metalowych kul śledzonych laserami z Ziemi. Wynik potwierdził przewidywania Einsteina z niepewnością wynoszącą zaledwie około 0,1 proc.

Nowy pomysł nie ma więc udowodnić istnienia wcześniej nieznanego zjawiska. Ma umożliwić jego pomiar w zupełnie inny sposób, znacznie szybciej i bez konieczności umieszczania aparatury na orbicie.

Nad wspomnianym wyżej rozwiązaniem pracują naukowcy z University of California w Berkeley, Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego (Caltech) i Austriackiej Akademii Nauk. Zespół kierowany przez Kai-Isaaka Ellersa i K. Birgittę Whaley proponuje wykorzystanie szczególnych właściwości ciekłego helu-4.

Gdy temperatura tego pierwiastka spada poniżej około 2,17 K, czyli -271 st. C, przechodzi on w stan nadciekły. Oznacza to m.in. możliwość przepływu bez lepkości, która w zwykłych cieczach prowadzi do utraty energii wskutek tarcia wewnętrznego.

Najważniejsze jest jednak to, że nadciekły hel może zachowywać się jak jeden makroskopowy układ kwantowy. Zjawiska kojarzone zazwyczaj ze skalą pojedynczych atomów zaczynają wtedy wpływać na zachowanie cieczy, którą można obserwować i mierzyć za pomocą odpowiednio przygotowanej aparatury.

Naukowcy chcą umieścić hel w zamkniętej rurce wygiętej w pierścień o promieniu około 10 cm. W jednym miejscu przepływ cieczy ma być ograniczony specjalną przegrodą zawierającą otwory o średnicy około 1 nanometra.

Taka konstrukcja stworzy złącze Josephsona. Pozwala ono obserwować zmiany fazy kwantowej helu, czyli wielkości opisującej stan układu. Kiedy czujnik obraca się, faza ulega zmianie, co wpływa na przepływ cieczy i częstotliwość drgań całego urządzenia.

Proponowany przyrząd jest tak naprawdę bardziej wymyślnym żyrometrem, czyli urządzeniem służącym do niezwykle precyzyjnego mierzenia obrotu. W odróżnieniu od tradycyjnego żyroskopu nie wykorzystuje wirującego mechanicznego elementu. Rejestruje zmiany zachodzące w stanie kwantowym nadciekłego helu. Podobne urządzenia powstawały tak naprawdę już wcześniej i pozwalały wykrywać obrót Ziemi. Efekt Lensego-Thirringa jest jednak nieporównanie słabszy, a jego sygnał szalenie łatwo ginie w zakłóceniach.

W badaniu opublikowanym w Physical Review Letters naukowcy wykazali teoretycznie, że rozwiązaniem może być dalsze obniżenie temperatury helu. Zaproponowali pracę przy 10 milikelwinach, czyli zaledwie 0,01 K powyżej zera absolutnego.

W takich warunkach znacznie maleją zakłócenia termiczne, które utrudniają wykrywanie najdrobniejszych zmian zachowania cieczy. Według obliczeń najbardziej zaawansowana wersja czujnika mogłaby osiągnąć czułość odpowiadającą wykrywaniu obrotu z prędkością jednego pełnego obrotu na około 4 mld lat. Fizycy przewidują, że w optymalnych warunkach taka aparatura byłaby w stanie zmierzyć wleczenie czasoprzestrzeni przez Ziemię z niepewnością około 0,2 proc. w czasie krótszym niż 1 sekunda.

Dla porównania, eksperyment satelitarny LARES-2 wymagał około 3 lat zbierania danych. Jego wynik jest dokładniejszy, ale uzyskanie go oznaczało konieczność niezwykle szczegółowego modelowania ziemskiego pola grawitacyjnego oraz zmian orbit.

Urządzenie na ten moment pozostaje przede wszystkim projektem. Największym wyzwaniem jest teraz tak naprawdę wykonanie złącza Josephsona, które zachowa odpowiednie właściwości w temperaturze zaledwie kilku tysięcznych kelwina. Wcześniejsze konstrukcje działające z helem-4 wymagały temperatur znacznie bliższych jego przejściu w stan nadciekły.

Do budowy nowego złącza naukowcy chcą wykorzystać materiały dwuwymiarowe zawierające otwory o rozmiarach porównywalnych z pojedynczymi atomami. Prace nad takimi rozwiązaniami prowadzi już laboratorium Keitha Schwaba w Caltech.

Drugim problemem pozostają drgania i straty energii w elementach mechanicznych czujnika. Rekordowa czułość wymaga zastosowania wyjątkowo mało stratnych materiałów. Przy bardziej zachowawczych założeniach czas potrzebny do uzyskania dokładności 0,2 proc. wydłużyłby się z około 1 sekundy do 35 minut. To nadal znacznie mniej niż w przypadku obserwacji satelitarnych, ale pokazuje, jak bardzo ostateczny wynik będzie zależał od jakości wykonania aparatury.

Dochodzi tutaj jeszcze konieczność oddzielenia efektu relatywistycznego od zwykłego obrotu Ziemi. Ten drugi wywołuje sygnał wielokrotnie silniejszy. Żeby skutecznie go usunąć, orientacja urządzenia musiałaby być kontrolowana z dokładnością sięgającą ułamków nanoradiana.

Tak naprawdę najbardziej interesujące konsekwencje eksperymentu wykraczają poza potwierdzanie znanych przewidywań Einsteina. Według obliczeń zmiany fazy kwantowej helu można interpretować również jako ślad niezwykle małych różnic w upływie czasu wzdłuż przeciwnych kierunków przemieszczania się przez pętlę czujnika.

Badacze oszacowali, że czułość proponowanego urządzenia odpowiadałaby różnicom czasu rzędu (10^{-35}) sekundy. Jest to wartość tak niewielka, że trudno porównywać ją z działaniem jakiegokolwiek tradycyjnego zegara. Nie oznacza jednak, że naukowcy zbudowali urządzenie bezpośrednio odmierzające takie przedziały.

Zobacz także:

W dalszej perspektywie podobna technologia mogłaby służyć do testowania teorii grawitacji w warunkach, w których istotne stają się również zjawiska kwantowe. Problem pogodzenia mechaniki kwantowej z ogólną teorią względności pozostaje jedną z największych zagadek współczesnej fizyki.

Nowy żyrometr nie stanowi jednak tak naprawdę jeszcze rozwiązania tego problemu ani dowodu na istnienie kwantowej natury grawitacji. Byłby jednak niezwykłym eksperymentem, w którym efekt przewidziany przez ogólną teorię względności wpływa na zachowanie makroskopowego układu kwantowego.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI