Dilatarea timpului si relativitate la scara cuantica

Desi mecanica cuantica (fizica care guverneaza la scara atomica) si relativitatea (fizica care guverneaza la scara cosmologica) sunt inca vazute ca domenii separate in cadrul Modelului Standard, experimentele la scara cuantica ajung la capacitatea de a masura efectele relativiste, conectand astfel in practica ceea ce ramane deconectat in teorie.

Acesta este cazul efectului gravitational Aharonov-Bohm observat recent – o sonda cuantica pentru gravitatie.

In versiunea electromagnetica a efectului Aharonov-Bohm, o particula incarcata electric este afectata de un potential electromagnetic, in ciuda faptului ca aceasta este limitata intr-o regiune in care atat campul magnetic, cat si campul electric sunt zero.

Mecanismul de baza consta in cuplarea potentialului electromagnetic cu faza complexa a functiei de unda a unei particule incarcate.

O functie de unda este o amplitudine de probabilitate cu valori complexe care descrie matematic starea cuantica a unui sistem cuantic izolat.

Din aceasta pot fi derivate probabilitatile pentru rezultatele posibile ale masuratorilor efectuate pe sistem, la inmultirea acestei functii cu complexul ei conjugat pentru a obtine valori reale.

Este clar ca acest efect este unul in intregime mecanic cuantic. Si la aceasta scara, fortele care aparent guverneaza sunt in principal de natura electromagnetica.

Rolul relativitatii in mecanica cuantica

Trebuie sa avem in vedere ca particulele cuantice (cum ar fi electronii) sunt descrise in mod eficient prin suprapunerea starilor, numite pachete de unda.

Efectul original Aharonov-Bohm prezice ca daca un fascicul de electroni intr-o suprapunere a doua pachete de unda este expus la un potential electric care variaza in timp, ar dobandi o diferenta de faza atunci cand trece printr-o pereche de tuburi metalice.

Ulterior, pachetele de unda sunt recombinate, iar diferenta de faza dintre pachetele de unda, indusa de acest potential variabil, duce la un efect fizic masurabil, un model de interferenta.

Dar unde intervine rolul relativist? Se stie ca teoria gravitatiei este descrisa de ecuatiile relativitatii generale ale lui Einstein (ecuatiile campului Einstein) care explica gravitatia ca o curbura a spatiului si timpului produsa de orice masa-energie.

Aceasta curbura poate duce la diferente de timp adecvate intre traiectorii nelocale care cad liber. Astfel, ceasurile observatorilor din diferite cadre de referinta non-inertiale nu vor arata la fel, iar observatorii vor fi in dezacord cu privire la sincronizarea oricarui eveniment.

Curbura spatiu-timp are ca rezultat relativitatea simultaneitatii ca urmare a dilatarii timpului.

In prezent, nu exista solutii esentiale pentru gravitatia particulelor cuantice si nici pentru originea masei lor. Masa particulelor cuantice este atat de mica, incat curbura pe care ar putea-o produce ar fi considerata neglijabila.

Un experiment cu totul nou

Dar ce s-ar intampla daca am masura diferenta de faza a particulelor cuantice, produsa de curbura spatiu-timp?

Aceasta este ceea ce Mark Kasevich si colegii sai de la Universitatea Stanford au realizat, folosind un interferometru atomic care utilizeaza o serie de impulsuri laser pentru a diviza, ghida si recombina pachetele de unde atomice.

Modelul de interferenta obtinut din recombinarea acestor pachete de unde releva orice modificare a fazei relative experimentate de unde de-a lungul celor doua brate.

Acesta este practic principiul unui interferometru Michelsen Morley, dar in acest experiment sursele de lumina sunt lasere, care sunt surse de lumina monocromatica care permit o rezolutie mult mai mare.

(a) Metoda incepe cu un nor mic de atomi ultrareci (albastru), care este lansat in sus in interiorul unei incinte evacuate. La inceputul traiectoriei, un impuls laser (rosu) imparte norul in doi nori, care se extind pe masura ce se ridica si coboara. Un al doilea impuls in varful traiectoriei actioneaza ca o oglinda.

(b) Cand norii ajung la baza incintei, un al treilea impuls ii recombina. Modelul de interferenta rezultat este inregistrat cu doua camere CCD.

O punte intre teoria cuantica si relativitate

Iata ce scriu cercetatorii in studiu:

„Masuram schimbarea de faza gravitationala indusa intr-un interferometru cu unda de materie, la scara de kilograme, aproape de unul dintre pachetele de unde.

Deviatiile fiecarui brat al interferometrului datorate masei sursei sunt masurate independent. Schimbarea de faza se abate de la contributia de faza indusa de deviatie, asa cum este prezis de mecanica cuantica.

In plus, scalarea observata a defazajului este In concordanta cu relatia eroare-perturbare a lui Heisenberg.

Aceste rezultate arata ca gravitatia creeaza schimbari de faza Aharov-Bohm analoge cu cele produse de interactiunile electromagnetice.”

Aceste rezultate sunt foarte importante, din mai multe motive. In primul rand, pentru ca permit masuratori ale curburii spatiu-timp (gravitationale) la scara cuantica, oferind o punte intre teoria cuantica si relativitate.

In al doilea rand, aceasta noua metodologie poate oferi o noua modalitate de masurare a constantei gravitationale a lui Newton cu o precizie mult mai mare decat in prezent.

Legatura dintre electromagnetism si gravitatie, asa-numita problema a marii unificari, este un mister care i-a derutat pe oamenii de stiinta zeci de ani. Gravitatia cuantica ar trebui sa rezolve aceasta enigma.

Teoria campului unificat este deja aici!

Urmariti acest site – curiozitati stiinta – pentru a afla si alte lucruri noi si interesante despre universul in care traim!

Sursa: science.org, physics.aps.org, resonancescience.org.

Credit iamgine: Philippe Bouyer LP2N, Institut d’Optique d’Aquitaine, 33400 Talence, France August 19, 2013.

Acest articol a fost sustinut de cititori ca tine.

Misiunea noastra este sa oferim publicului stiri precise si captivante despre stiinta. Aceasta misiune nu a fost niciodata mai importanta decat este astazi.

Nu putem face, insa, acest lucru fara tine.

Sprijinul tau ne permite sa pastram continutul acestui blog gratuit si accesibil. Investeste in jurnalismul stiintific donand chiar astazi.