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:

• Новое измерение постоянной тонкой структуры подтвердило справедливость квантовой электродинамики -- новость на "Элементах".
  
• Accelerometer using atomic waves for space applications (arXiv:0808.3837) и
  Light-pulse atom interferometry in microgravity (arXiv:0903.3284) -- описывается технология очень чувствительного акселерометра для применения на спутниках.
  Matter waves and the detection of Gravitational Waves -- возможности применения для детектирования гравитационных волн.