Фізики з Віденського технічного університету (Австрія) та Інституту Лауе — Ланжевена (Франція) знайшли можливість досліджувати квантові стани частинок у гравітаційному полі цілком стандартними методами резонансної спектроскопії.
Щоб зрозуміти зміст проведеного досліду, необхідно розібратися з тим, як узагалі спостерігають квантові стани матерії в гравітаційному полі. Із цього й почнемо.
Поява квантових станів у випадку електромагнітного або ядерного поля вже нікого не дивує, і відомості про них можна знайти в будь-якому курсі загальної фізики. У замітках «КЛ» вони також трапляються із завидною регулярністю; ми, наприклад, не раз згадували лінію , яку реєструють у спектрах астрофізичних джерел і яка відповідає переходу електрона в атомі водню з другого енергетичного рівня на перший. Гравітаційне поле має важливу особливість: воно набагато слабше за електромагнітне та ядерне, що природно ускладнює пов’язані з ним експерименти. Відповідно зменшується кількість згадок про квантові стани матерії в такому полі, і вони залишаються «екзотичними».
Квантова механіка таких відмінностей не робить. Згідно з теорією, частинка (або будь-який інший матеріальний об’єкт) має перебувати у зв’язаних квантових станах у достатньо глибокій потенціальній ямі незалежно від природи утримувального потенціалу. Це означає, що набір дозволених енергій визначається масою частинки та формою потенціалу, а ймовірність перебування частинки в певній точці простору дорівнює квадрату модуля її . А утримувальний потенціал може бути будь-яким (електромагнітним, сильним, слабким або гравітаційним).
Побачити гравітаційні квантові стани можна було б на прикладі частинки, розміщеної над горизонтальною поверхнею, яка багаторазово падає на неї під дією гравітації, щоразу відбиваючись угору. Оскільки переміщення частинки вздовж вертикальної осі підкоряється законам квантової механіки, енергія, як уже було сказано, набувала б строго визначених значень, а хвильова функція утворювала б стоячу хвилю, квадрат амплітуди якої давав би ймовірність виявлення частинки на тій чи іншій висоті.
На жаль, виконати саме такий — простий і наочний — експеримент не вдасться, оскільки відповідної методики вимірювань просто немає. Фізики змушені вигадувати складніші способи, і один із цих варіантів їм усе-таки вдалося реалізувати 2001 року. Тоді квантові стани нейтронів у гравітаційному полі Землі спостерігала група вчених із Франції, Німеччини та Росії, яка опублікувала короткий у журналі . (Докладний досліду, складений одним з авторів оригінальної статті Валерієм Несвіжевським, можна знайти в журналі «».)
Вибір на користь нейтронів зробили цілком свідомо. «Атоми в подібних експериментах краще не використовувати, оскільки вони зазнають впливу короткодійних електромагнітних сил — наприклад, сил або , — пояснює учасник обох — десятирічної давності та нового — досліджень Гартмут Абеле (Hartmut Abele). — Працювати з електрично нейтральними ультрахолодними нейтронами набагато простіше». До переваг нейтронів також належать порівняно великий власний час життя та мала маса, яка сприяє спостереженню квантових ефектів, збільшуючи невизначеність їхнього положення.
Описану вище модель падіння вільної частинки на відбивну поверхню фізики замінили рухом нейтронів із майже горизонтального пучка, які падають на дзеркало під малим кутом. Гравітація діє лише на вертикальну складову руху — отже, переміщення нейтронів уздовж вертикалі й має бути квантованим. Енергія рівнів у цьому випадку визначається фундаментальними сталими (масою нейтрона, сталою Планка), прискоренням вільного падіння та порядковим номером рівня n, причому зі збільшенням n різниця між сусідніми дозволеними енергіями зменшується.
| Загальна схема досліду 2001 року (ілюстрація з журналу Nature). |
Над відбивним дзеркалом учені помістили поглинач, положення якого можна було плавно змінювати й визначати з достатньою точністю. Його завдання, як неважко здогадатися, полягало в тому, щоб «усувати» нейтрони, які долетіли до шорсткої поглинальної поверхні. На виході із зазору, утвореного двома поверхнями, встановили детектор, що вимірював потік частинок, які пройшли крізь нього.
У класичному випадку швидкість лічби детектора, очевидно, плавно зростатиме зі збільшенням ширини зазору. Квантування істотно змінює ситуацію: за надзвичайно малої ширини щілини (меншої за просторовий «розмір» нижнього квантового стану) частинки взагалі не досягатимуть детектора. У міру збільшення відстані між поглиначем і дзеркалом пропускання має зростати стрибкоподібно, наближаючись до класичної форми зі зменшенням різниці енергій між рівнями.
Результати експерименту, подані на графіках нижче, добре узгоджувалися з квантовомеханічними передбаченнями й відхилялися від класичної залежності. На цій підставі автори й зробили висновок про спостереження квантових станів нейтронів у гравітаційному полі.
| Результати експерименту 2001 року на двох графіках, що відповідають великим і малим величинам зазору, утвореного дзеркалом та поглиначем. Горизонтальними лініями позначено «фонову» швидкість лічби за відсутності ультрахолодних нейтронів. Суцільні лінії відповідають розрахункам у класичному випадку, а штрихова — у квантовому. Пунктирна лінія відповідає спрощеній моделі, у якій розглядається лише нижній квантовий стан. Легко помітити, що щілина стає прозорою для нейтронів лише тоді, коли її ширина сягає приблизно 15 мкм. (Ілюстрація з журналу Nature.) |
Одразу після виявлення цього ефекту фізики почали шукати способи його застосування в подальших дослідженнях. Ідея резонансної спектроскопії, яка дала б змогу реєструвати переходи між рівнями й вимірювати різницю енергій, видалася їм найперспективнішою, і через десять років після завершення початкового досліду її реалізували.
Схема нового експерименту майже повторювала описану вище. Єдиним доповненням став п’єзоелектричний резонатор, що забезпечував механічні коливання дзеркала, які — за правильно встановленої частоти — мали змушувати нейтрони переходити з одного гравітаційного квантового стану в інший.
Як з’ясувалося, схема справді працює, і в системі спостерігаються резонансні переходи. Невдовзі таку методику, на думку дослідників, можна буде використовувати для перевірки та перевірки закону тяжіння Ньютона в мікрометровому масштабі.
Повну версію звіту опубліковано в журналі .
Підготовлено за матеріалами .
Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.
Коментарі (0):