lunedì 21 febbraio 2022

Usare la dilatazione del tempo su scala atomica per misurare la curvatura dello spazio/tempo

Sebbene la meccanica quantistica (la fisica che governa la scala atomica) e la relatività (la fisica che governa la scala cosmologica) siano ancora come regimi disparati all'interno del Modello Standard, gli esperimenti sulla scala quantistica stanno raggiungendo la capacità di misurare gli effetti relativistici, collegando quindi in pratica ciò che in teoria rimane sconnesso.

Questo è il caso dell'effetto gravitazionale Aharonov-Bohm recentemente osservato, una sonda quantistica per la gravità. Nella versione elettromagnetica dell'effetto Aharonov-Bohm (in cui è previsto per la prima volta l' effetto quantistico altamente non elettrico locale) una particella caricamente è influenzata da un potenziale elettromagnetico, nonostante confinata in una regione in cui sia il campo magnetico che il campo elettrico sono zero . Il meccanismo alla base è l'accoppiamento del potenziale elettromagnetico con la fase complessa della funzione d'onda di una particella carica. Una funzione d'onda è un'' di probabilità a valori complessi che descrizione ampiezza lo stato quantistico (dato dalle osservabili della teoria, come velocità, posizione, livelli di energia, ecc.) di un sistema quantistico isolato, e da essa si possono possono Le probabilità per i possibili risultati di ottenere sul sistema, moltiplicando questa funzione complessa per il suo complesso coniugato per ottenere valori reali, moltiplicando questa funzione complessa per il suo complesso che sono le grandezze relative alle osservabili fisiche. È chiaro che questo effetto è un effetto interamente quantomeccanico. e su questa scala, le forze che governano sono apparentemente principalmente di natura elettromagnetica.

Dato che le particelle quantistiche, come elettroni, sono essenziali dalla sovrapposizione di stati, l'effetto prodotti d'onda Aharonov-Bohm originale prevede che se un fascio di elettroni in una sovrapposizione di due pacchetti d'onda (una combinazione di due pacchetti d'onda di funzioni d'onda) è esposto a un potenziale elettrico variabile nel tempo (e nessun campo), acquisirebbe una differenza di fase quando passa una coppia di tubi metallici. Successivamente i pacchetti d'onda vengono ricombinati e la differenza di fase tra i pacchetti d' onda indotta da questo potenziale variabile porta un effetto fisico misurabile, un pattern di interferenza.

Allora, dove entra in gioco la parte relativistica? È noto che la teoria della gravitazione è descritto dalle equazioni della relatività generale di Einstein (le equazioni di campo di Einstein) che spiegano la gravità come la curvatura dello spazio e del tempo prodotto da qualsiasi massa-energia. Questa curvatura può portare a differenze temporali appropriate traiettorie non locali in caduta libera, il che significa che gli orologi dell'osservatore in diversi sistemi di riferimento non inerziali non saranno d'accordo e gli osservatori non saranno d'accordo sulla tempistica di qualsiasi evento : la curvatura dello spazio-tempo risulta, nella relatività di simultaneità, per effetto della dilatazione del tempo. Attualmente non ci sono soluzioni tradizionali alla gravità delle particelle quantistiche, né all'origine della loro massa; la massa delle particelle quantistiche è così piccola che la curvatura che potrebbe produrre sarebbe considerata trascurabile.

Ma cosa accadrebbe se misurassimo la differenza di fase nelle particelle quantistiche, prodotto dalla curvatura dello spazio-tempo? Questo è ciò che hanno ottenuto Mark Kasevich e colleghi della Stanford University, impiegando un interferometro atomico che utilizza una serie di impulsi laser per dividere, governare e ricombinare i pacchetti di onde atomiche. Il pattern di interferenza ottenuto dalla ricombinazione di questi pacchetti d'onda rivela variazione nella fase relativa sperimentata dalle onde lungo i due bracci. Questo origine della loro massa; la massa delle particelle quantistiche è così piccola che la curvatura che potrebbe produrre sarebbe considerata trascurabile. Ma cosa accadrebbe se misurassimo la differenza di fase nelle particelle quantistiche, prodotto dalla curvatura dello spazio-tempo? Questo è ciò che hanno ottenuto Mark Kasevich e colleghi della Stanford University, impiegando un interferometro atomico che utilizza una serie di impulsi laser per dividere, governare e ricombinare i pacchetti di onde atomiche. Il pattern di interferenza ottenuto dalla ricombinazione di questi pacchetti d'onda rivela variazione nella fase relativa sperimentata dalle onde lungo i due bracci. Questo origine della loro massa; la massa delle particelle quantistiche è così piccola che la curvatura che potrebbe produrre sarebbe considerata trascurabile. Ma cosa accadrebbe se misurassimo la differenza di fase nelle particelle quantistiche, prodotto dalla curvatura dello spazio-tempo? Questo è ciò che hanno ottenuto Mark Kasevich e colleghi della Stanford University, impiegando un interferometro atomico che utilizza una serie di impulsi laser per dividere, governare e ricombinare i pacchetti di onde atomiche. Il pattern di interferenza ottenuto dalla ricombinazione di questi pacchetti d'onda rivela variazione nella fase relativa sperimentata dalle onde lungo i due bracci.

Questo è fondamentalmente il principio di un interferometro Michelsen Morley, ma in questo esperimento le sorgenti luminose sono i laser, che sono sorgenti di luce monocromatica che consentono una risoluzione molto più elevata.



 

 Gli elementi di base dell'interferometria con sorgente puntiforme sono illustrati qui. (a) Il metodo inizia con una piccola nuvola di atomi ultrafreddi (blu), che viene lanciata verso l'alto all'interno di un recinto evacuato. All'inizio della traiettoria, un impulso laser (rosso) divide la nuvola in due nuvole, che si espandono entrambe salendo e scendendo. Un secondo impulso in cima alla traiettoria funge da specchio. (b) Quando le nuvole raggiungono il fondo del recinto, un terzo impulso le ricombina. Il pattern di interferenza risultante viene registrato con due telecamere CCD. 

Come spiegato nell'abstract dell'articolo di Science :

“Misuriamo lo spostamento di fase gravitazionale indotto in un interferometro di onde di materia da una massa sorgente su scala di un chilogrammo vicino a uno dei pacchetti d'onda. Le flessioni di ciascun braccio dell'interferometro dovute alla massa della sorgente vengono misurate in modo indipendente. Lo spostamento di fase devia dal contributo di fase indotto dalla deflessione, come previsto dalla meccanica quantistica. Inoltre, il ridimensionamento osservato dello sfasamento è coerente con la relazione errore-disturbo di Heisenberg. Questi risultati mostrano che la gravità crea sfasamenti di Aharonov-Bohm analoghi a quelli prodotti dalle interazioni elettromagnetiche”.

Questi risultati sono molto importanti, per diversi motivi. Primo, perché consentono misurazioni della curvatura dello spaziotempo (gravitazionale) su scala quantistica, fornendo un ponte tra la teoria quantistica e la relatività. In secondo luogo, questa nuova metodologia può fornire un nuovo modo di misurare la costante gravitazionale di Newton con una precisione molto maggiore di quella attualmente possibile, poiché la costante gravitazionale ha la minore precisione nel suo valore noto di qualsiasi costante misurata. Inoltre, questo è un modo molto intelligente per superare le difficoltà di misurare lo sfasamento delle onde gravitazionali, che utilizza gli stessi principi di interferometria, ma richiede braccia lunghe chilometri!

La connessione tra elettromagnetismo e gravità - il cosiddetto problema della grande unificazione, l'unione di gravità e forze elettromagnetiche - è un mistero che ha sconcertato gli scienziati per decenni. La gravità quantistica dovrebbe risolvere questo enigma, che è un modo per rispondere alla domanda su come avviene la transizione di fase dalle cariche alla massa. La teoria olografica generalizzata di Haramein ha dimostrato come la massa emerga dalle fluttuazioni del vuoto e, quindi, dando una prima risposta alla fonte della massa.

Poiché sappiamo già come manipolare in modo efficiente i campi EM, comprendendo questa connessione possiamo ottenere il controllo gravitazionale. Le applicazioni e le implicazioni di tale comprensione sono letteralmente INFINITE.

La teoria dei campi unificati è già qui! 

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