Колебания — это часы. физики используют время для расчета времени

Колебания — это часы: физики применяют время для вычисления времени

20 января 2013 г.

Еще мальчиком, подросшим в Германии, Хольгер Мюллер интересовался фундаментальным вопросом: какое количество времени?

Данный вопрос привел Мюллера, ныне доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли, к принципиально современному способу измерения времени. Воспользовавшись тем фактом, что в природе материя бывает как частицей, так и волной, он открыл способ вычисления времени, считая колебания волн материи. Частота волны материи в десять миллиардов раз выше частоты волны видимого света..

«Колебание — это часы, так сказать», — сказал Мюллер..

В статье, опубликованной 11 января в журнале Science, Мюллер и его коллеги из Беркли описали, как можно проссчитать время, применяя только волну атома цезия. Он называет собственный метод часами Комптона, потому как он построен на частоте волны Комптона..

«Когда я был довольно молод, читая научные книги, я всегда спрашивал себя, почему было так мало объяснений того, что это было за время», — сказал Мюллер, который также считается приглашенным ученым в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. «С той поры я часто спрашивал себя, что очень простое, что может померять время, наиболее простая система, которая ощущает течение времени. Теперь у нас есть верхний предел: достаточно одной массивной частицы », — говорит Мюллер..

Часы Комптона все также в сто миллионов раз менее точны, чем лучшие современные атомные часы, в которых применяются ионы алюминия. Но улучшения техники могут увеличить ее точность до отметки точности атомных часов..

«Это красивый и хорошо запланированный эксперимент, однако он будет спорным и будет горячо обговариваться», — сказал Джон Клоуз, квантовый физик из Австралийского национального университета в Канберре. «Вопрос в том, считается ли атомная частота Комптона часами либо нет? мне стало плнятно смысл идеи Хольгера. Это часы. Я сделал один, и он функционирует », — добавляет он..

Мюллер желает обсуждений, потому как его эксперимент касается ключевой концепции квантовой механики — двойственной природы материи — которая сбивает студентов с толку практически девяносто лет..

«Это действительно фундаментальные идеи», — сказал Клоуз. «Рассмотрение приводит к лучшему пониманию квантовой физики».

Мюллер также может поменять методику и применять время для определения массы. Эталонная масса сегодня — это масса цилиндра из платины и иридия, равная одному килограмму, и он хранится в сейфе во Франции, а редкие точные копии популярны по всему миру. Применение методики Мюллера для экспериментаторов это новый способ построить свое определение веса..

"Сумасшедшая" идея де Бройля

Тезис про то, что вещества можно наблюдать в форме волн, был предметом диссертации Луи де Бройля в первой половине 20-ых годов двадцатого века, который взял идею Альберта Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии (E = mc?) и соединил ее с идеей Планка про то, что каждая энергия связана с частотой. . За открытие волновой природы материи Де Бройль был награжден Нобелевской премии в области физики 1929 года..

Но применение материи в качестве часов казалось невозможным, так как частота волны, именуемая комптоновской или частотой де Бройля, может быть незаметной. И если даже бы это можно было заметить, колебания были бы чрезмерно быстрыми, чтобы их можно было померять..

Впрочем 2 года назад Мюллер отыскал способ доказать гравитационное красное смещение Эйнштейна при помощи волн материи, другими словами замедлить время в гравитационном поле. Для этого он выстроил ядерный интерферометр, который рассматривает атомы как волны и меряет интерференцию между ними..

«В то время я считал, что это была специальная программа по применению волн материи в качестве часов, чего угодно», — сказал Мюллер. «Во время изготовления обыкновенных часов применяются маятник и механизм часов, который считает колебания маятника. Итак, вам необходимо что-то, что будет качаться, и механизм часов, чтобы сделать практичные часы. Было невозможно создать механизм часов для волн материи, потому как частота их волн довольно большая, даже в несколько миллиардов раз больше, чем частота видимого света ».

В минувшем году, но, он понял, что можно соединить два хорошо популярных метода для создания подобного механизма часов, и откровенно показал, что комптоновская частота индивидуальной частицы в действительности полезна в качестве эталона для часов. В теории относительности время течет очень медленно для двигающихся объектов. Так, к примеру, близнец, который летит к далекой звезде и возвращается, будет моложе близнеца, который остался тут, на Земля. Это говоря иначе парадокс близнецов.

Точно также атом цезия, который путешествует и потом возвращается, моложе того, который находится в состоянии покоя. В результате волна атома цезия, которая путешествовала, будет колебаться меньшее кол-во раз. Тогда можно было бы померять разностную частоту, которая составляла бы около 100000 колебаний в секунду меньше, чем 10 триллионов колебаний (3 x 1025 на атом цезия)..

В лаборатории Мюллер показал, что может померять данную разницу, давая возможность волнам двигающихся атомов цезия смешиваться в атомном интерферометре. Это происходит из-за отскока фотонов лучей лазера от атомов цезия. Применяя гребенку оптических частот, он синхронизировал лучи лазера в интерферометре с этой разностной частотой между волнами материи, так что все частоты относились к волне самой материи..

Комптоновские часы и бал Авогадро

Предложение Мюллера о создании эталона массы, основанного на времени, предоставляет современный способ реализации планов Международной Генеральной конференции по мерам и весам по замене килограмма более фундаментальной мерой. Это будет включать неимоверно чистый кристалл кремния, именуемый сферой Авогадро, который выполнен настолько точно, что кол-во атомов в нем рассчитывается с высокой точностью..

А как насчет вопроса "Который час?" Мюллер говорит: «Я не думаю, что у кого-то когда-нибудь будет конечный ответ, но мы знаем чуть-чуть больше о его свойствах. Время считается физическим до той поры, пока есть одна очень большая частичка, однако это точно то, что не требует больше одной большой частицы для собственного существования. Мы знаем, что частицы без большой массы, такой как фотон, недостаточно ».

Мюллер надеется применить собственную технику к намного мелким частичкам, таким как электроны либо даже позитроны. В последнем варианте он создал бы часы с антивеществом. Он надеется, что как то сможет предвещать время, применяя квантовые флуктуации в вакууме..

По материалам Источник

Похожие записи