15 мая 2009 г.

Немного о технологиях будущего

Вот кстати еще одна область физики, которая сейчас постепенно переходит из разряда "науки ради науки" в область перспективных технологий -- это использование волновых свойств вещества для детектирования очень малых гравитационных сил или ускорений.

Идея тут очень проста. Уже почти век, как известно, что не только свет, но и вещество -- электроны, атомы и молекулы -- проявляет волновые свойства. В определенных условиях (при сверхнизких температурах и в более-менее изолированном от внешнего мира состоянии) удается даже заставить многие миллионы атомов проявлять свои волновые свойства согласованно -- получаются настоящие волны материи. Тогда возникают красивые эффекты, например, интерференция вещества самого с собой или туннелирование атомов через потенциальные барьеры (почему-то к туннелированию электронов мы как-то уже привыкли, а вот туннелирование цельных атомов кажется чем-то необычным).

Вещество в таком состоянии оказывается исключительно чувствительным к внешним воздействиям, в частности, к гравитационным и инерционным силам. Поэтому с помощью волн материи можно изучать гравитационное взаимодействие или использовать их для детектирования даже самого слабого ускорения. Причина в том, что длина волны вещества очень маленькая, намного меньше длины волны света, а гравитацию атомы чувствуют хорошо (точнее, гравитация на движении медленных атомов сказывается намного заметнее, чем на траектории светового импульса).

Такие атомные интерферометры уже давно построены и постепенно совершенствуются. Работают они по сути так же, как и обычные оптические интерферометры, только световой луч заменяется на вещество. Берется сгусток атомов, летящий в пространстве, и с помошью хитрого воздействия лазерным импульсом он превращается... нет, не в два сгустка, а в один сгусток, летящий сразу по двум различным траекториям (квантовая механика работает на полную катушку). Движением этих двух "ипостасей" одного сгустка управляют так, чтоб они снова встретились в каком-то месте, и тогда их снова объединяют в единый сгусток и смотрят на результат интерференции.

Интерференция вещества в результате этого воссоединения будет тонко чувствовать даже слабейшие различия между характеристиками двух траекторий. Если одна траектория лежит чуть выше в поле силы тяжести, чем вторая, то набег фаз будет легко заметен по интерференционной картинке. Да что там сила тяжести. Сейчас уже удается регистрировать изменения силы тяжести на миллиардные доли! (Более точное значение зависит, конечно, от времени набора статистики и периодичности искомых изменений). Удается даже зарегистрировать гравитационное притяжение атомов не только к Земле, но и к простой массивной болванке, которую в лаборатории периодически двигают туда-сюда (см. подробности в новости Гравитационная постоянная измерена новыми методами двухлетней давности).

Очередной этап развития этой технологии описан в недавнем препринте Atom interferometry tests of local Lorentz invariance in gravity and electrodynamics. С помощью такого интерферометра там смогли проверить лоренц-инвариантность гравитации (например, изотропию гравитационного взаимодействия, т.е. независимость силы гравитационного притяжения между двумя телами от общей ориентации этих двух тел в пространстве относительно, скажем, звезд). Кстати, интересно, что лоренц-инвариантность уже вдоль и поперек проверена с огромной точностью для обычного вещества и для электромагнитных волн, а для гравитации она пока еще мало изучена.

Ограничения на лоренц-нарущающие взаимодействия, полученные в таком эксперименте, уже соперничают с данными полученными другими методиками (например, мониторингом расстояния от Земли до Луны). Авторы говорят, что нет особых препятствий для того, чтобы еще улучшить точность на несколько порядков -- рчеь идет даже об отклонениях в 10−14g за один день наблюдений, при условии, что удастся чисто вычесть вклад всех известных источников воздействия (прежде всего приливные силы от Луны и от Солнца).

Вот еще некоторые применения атомных интерферометров:

16 комментариев:

  1. Спасибо за статью. Правда ли что гравитационные волны еще не удалось зарегистрировать приборами? Как я понял с помощью атомного интерференции, только собираются это сделать.

    ОтветитьУдалить
  2. У меня такой вопрос: А можно ли большому телу-например мячу - приписать волновую функцию, что это за волновая функция? Как она соотносится с волновыми функциями элементарных частиц, составляющих мяч.
    Есть ли у волновых функций понятие "сорта" - например отличается же чем-то волновая функция протона и электрона? (можно же подобрать парметры при котором без "сорта" они совпадали)

    ОтветитьУдалить
  3. to Alexandr_A: да, пока еще не удалось. Достаточно близкие события-источники грав.волн, которые можно было бы зарегистрировать с помощью уже работающих установок, очень редки, их мы пока еще не дождались. А достаточно далекие и частые события порождают всплекси грав.волн, которые вблизи Земли слишком слабы. Но чувствительность детекторов грав.волн постепенно повышается. С помощью атомного интерферометра предлагают это сделать, но пока непонятно, какой точности тут удастся достичь сейчас.

    to roux-kuzmich: приписать, но только если мяч не будет взаимодействовать с внешним миром. Но большой вычислительноый пользы от этого не будет.

    Связь есть, через свертку одночастичных волновых функций. В одном из постов у меня было обсуждение, где я пояснял как раз эту же вещь -- на примере двух связанных частиц. Но этот разговор быстро становится очень техническим, общими словами тут почти ничгео не объяснить.

    Да, понятие сорта есть. Но этот сорт мы сами задаем при описании частиц. Одна из мечт физики элементарных частиц -- найти такое описание частиц, при котором сорт частиц возникает автоматически. До этого пока далеко.

    ОтветитьУдалить
  4. Анонимный17/5/09 23:44

    Я так понял атомный интерферометр показывает лишь изменения гравитационного поля. А гравитационная волна вызывает лишь изменение геометрии пространства. А потому приборы для регистрации грав. волн будут тем чуствительней чем больше размер прибора.
    Но вот у меня давно возникла мысль, Вот если световая волна наложиться на гравитационную, то по идее должен произойти сдвиг в спектре световой волны относительно амплитуды и длинны гравитациоонной волны. Правда подобный сдвиг будет мало заметным.

    ОтветитьУдалить
  5. Анонимный28/5/09 01:01

    Игорь, хотелось бы вас пригласить в качестве модератора на свой форум fundamentalscience.ru
    Вы также можете взять часть управления идеями в свои руки. Постинги знающих людей очень приветствуются. А то скопились в основном сплошные фрикеры. До знающих людей не достучаться, разгонять балаган баранов жалко - крик поднимут. А дискутировать среди них - одичаешь. Помогите развивать доброи имя нашего сайта. Полномочия можно будет получить.

    ОтветитьУдалить
  6. Попытка создать научно-популярный форум -- это конечно хорошо, но Вы же сами понимаете, что модерирование любого такого форума выльется в непрерывную чистку балагана. Зачем мне тратить на это время?

    ОтветитьУдалить
  7. Очень интересно! А далеко ли до гравитационного томографа?

    ОтветитьУдалить
  8. А что именно подразумевается под гравитационным томографом?

    ОтветитьУдалить
  9. Анонимный17/6/10 19:39

    Спасибо за интересную статью.
    А возможно ли создавать гравитационнве волны а не только засекать их?
    Есть кое какие приспективы на эту тему?
    (Тут открываются новые виды коммуникацый)
    С уважением JS.

    ОтветитьУдалить
  10. Помахайте руками — это и будет создание гравитационных волн. Только зарегистрировать их совсем нереально для технологий обозримого будущего.

    ОтветитьУдалить
  11. Анонимный28/6/10 21:01

    А как насчёт более мощных, детектируемых волн ?

    JS

    ОтветитьУдалить
  12. Я, вероятно, слишком иносказательно выразился. Прямым текстом: никакие мыслимые в ближайшем будущем технологии не способны породить гравитационные волны, которые можно было бы зарегистрировать.

    ОтветитьУдалить
  13. Игорь правильно ли понимаю что гравитационная волна, подобна звуковой? Тоесть происходит сжатие среды в которой волна распостраняеться. В случае звуковой воздуха, в случае гравитационной самого пространства.

    ОтветитьУдалить
  14. Грав.волна поперечна, поэтому она скорее подобна поперечной упругой волне. Сжатие и растяжение пространства происходят в поперечных направлениях и причем в противофазе. Вот анимация деформаций, грав. волна в этой анимации распространяется вглубь экрана.

    ОтветитьУдалить
  15. Анонимный4/9/13 20:41

    Здравствуйте Игорь.Подскажите,где можно более углубленно прочесть про эффект интерференции вещества самого с собой?
    Спасибо.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. А что вы понимаете под веществом? Если интерференция электронов с самими собой подходим вам, то почитайте отличную популярную книжку А. Тономуры http://books.google.ru/books?id=sGd12Ii620sC
      Если про интерференцию крупных молекул друг с другом или про интерференцию атомов или бозе-конденсатов, то хорошей ссылки на популярную книжку я не знаю. Эта область продолжает развиваться, появляются регулярно новые статьи, в разных изданиях появляются новости, наверняка где-нибудь есть хороший подробный обзор.

      Удалить