Влияние вращения Земли на пространство-время измерят квантовым датчиком
Физики из Австрийской академии наук и Калтеха предложили лабораторный датчик, который мог бы обнаружить один из самых слабых эффектов общей теории относительности. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Земля увлекает пространство-время
По Эйнштейну, гравитация возникает из-за искривления пространства-времени, единой четырехмерной «ткани» из трех пространственных измерений и времени. Из теории следует, что вращающееся тело слегка увлекает эту ткань за собой. Эффект называют увлечением инерциальных систем. Его уже наблюдали: оси гироскопов вблизи Земли медленно смещаются относительно далеких звезд.
«По сути, Земля очень слегка тянет за собой локальные гироскопы, пока вращается», — говорит первый автор работы Кай-Изаак Эллерс.
Бублик из сверхтекучей жидкости
Идея родилась в Вене, где Эллерс и Биргитта Уэйли гостили у Маркуса Аспельмайера. Там их познакомили с Мариосом Кристодулу, который искал применение сверхтекучему гелию в точных гравитационных опытах. Все трое теоретики, поэтому они позвали экспериментатора Кита Шваба из Калтеха.
«Кит знал Биргитту еще по докторантуре и с энтузиазмом взялся помочь, чтобы наше предложение опиралось на реальность», — вспоминает Эллерс.
Гелий-4 при охлаждении почти до абсолютного нуля начинает течь без трения. Ученые предлагают залить его в кольцевую трубку, похожую на бублик, и разделить ее тонкой перегородкой с крошечными отверстиями. Когда трубка вращается, движение гелия по обе стороны перегородки немного различается. Измерив эту разницу, ученые рассчитывают обнаружить влияние вращения Земли на пространство-время.
«Ее измеряют по движению механической мембраны, связанной с петлей сверхтекучей жидкости», — поясняет Эллерс.
Главная помеха — тепло
Похожие датчики уже измеряли вращение самой Земли. Но добавка от увлечения пространства-времени так мала, что тонет в хаотических колебаниях.
«Дополнительная фаза крайне мала, и случайные фазы из-за теплового шума могут ее заглушить», — отмечает Эллерс.
Команда впервые проанализировала шумы такого прибора, опираясь на опыт Шваба. Выяснилось, что при температуре около 10 милликельвинов, то есть в сотые доли градуса выше абсолютного нуля, гироскоп мог бы сравняться по чувствительности с лучшими измерениями эффекта или даже превзойти их, причем за меньшее время. К тому же его можно построить в лаборатории на Земле, а не запускать в космос.
Что еще можно проверить
Расчеты показали, что гелий выдавал бы ничтожные различия в течении времени вдоль разных путей по кольцу. Это новый способ проверить общую теорию относительности.
«Можно представить, что мы изучаем процессы на временах всего на несколько порядков больше планковского, которое считается важным в квантовой гравитации», — говорит Эллерс.
Эксперимент также позволит проверить, как теория Эйнштейна описывает вращение тел. Согласно ей, вращающаяся Земля слегка увлекает за собой пространство-время, тогда как ньютоновская физика такого эффекта не предсказывает.
Для эксперимента ученым сначала нужно создать особые соединения для сверхтекучего гелия-4, способные работать при температурах около 0,01 градуса выше абсолютного нуля. В прежних опытах подобные устройства работали при других условиях. Сейчас над созданием подходящих соединений уже работают в лаборатории Шваба
«Нам особенно любопытно, оставит ли квантовая гравитация или иные взаимодействия за пределами теории Эйнштейна следы в таком эксперименте», — добавил Эллерс.
