Физики преодолевают фундаментальное ограничение акустической левитации
Связывание квантовой физики и гравитации
«Это что-то вроде „Святого Грааля“ физики: объединение физики элементарных частиц и гравитации. Мир крошечных частиц прекрасно описывается квантовой теорией, в то время как мир гравитации описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но объединить их пока не удалось — две ведущие теории теоретической физики всё ещё не совсем согласуются друг с другом», — говорится в статье.
Существует множество идей для такого объединения — со строгими названиями вроде теории струн, петлевой квантовой гравитации, канонической квантовой гравитации или асимптотически безопасной гравитации. Каждая из них имеет свои сильные и слабые стороны.
Пока что не было наблюдаемых предсказаний для измеримых величин и экспериментальных данных, которые могли бы показать, какая из этих теорий лучше всего описывает природу. Новое исследование из TU Wien, опубликованное в Physical Review D, возможно, приблизило нас к этой амбициозной цели.
Преодоление фундаментального ограничения акустической левитации
В 2013 году Скотт Вайтукайтис, ныне доцент Института науки и технологий Австрии (ISTA), заинтересовался использованием акустической левитации в качестве инструмента для изучения различных физических явлений. В то время лишь несколько исследовательских групп использовали эту технику для подобных целей.
«Пока акустическая левитация использовалась в акустических голограммах и объёмных дисплеях, она была ориентирована в основном на приложения. У меня сложилось впечатление, что эту технику можно использовать для гораздо более фундаментальных целей», — говорит он.
После создания своей исследовательской группы в ISTA Вайтукайтис начал проводить несколько экспериментов, основанных на управлении материей с помощью звука.
Одним из любопытных аспектов акустической левитации является то, что метод хорошо работает, если левитирует одна частица. Однако, если в игру вступают несколько частиц, они слипаются в воздухе, как магниты. Этот «акустический коллапс» происходит из-за того, что звук, рассеивающийся от частиц, создаёт между ними силы притяжения. Это центральное ограничение метода.
«Изначально мы пытались найти способ разделить левитируемые частицы так, чтобы они образовывали кристаллы — определённые повторяющиеся узоры», — говорит Сью Ши, аспирантка группы Вайтукайтиса и первый автор исследования.
Позже они поняли, что решение проблемы коллапса путём разделения частиц было ещё более важным. Ключом к этому стало добавление другой силы, противодействующей коллапсу — например, электрического заряда и электростатического отталкивания.
«Противодействуя звуку с помощью электростатического отталкивания, мы можем удерживать частицы на расстоянии друг от друга», — говорит Ши.
После разработки метода зарядки частиц команда обнаружила, что может настроить заряд для левитации частиц с различными конфигурациями. Они включали полностью разделённые системы частиц, полностью коллапсировавшие системы и «гибриды» между ними с разделёнными и коллапсировавшими компонентами.
Учёные также могли отскакивать частицы от заряженной нижней отражающей пластины установки для левитации, чтобы переключаться между различными конфигурациями. Работая с Карлом Гудричем, доцентом ISTA, и аспирантом Максимилианом Хюблом, команда разработала симуляции, чтобы объяснить все конфигурации, которые они видели, на основе баланса между рассеянием звука и электростатическими силами.
Как это часто бывает в науке, явления, которые команда не могла предвидеть, оказались ещё более интересными. Некоторые из сложных поведений, которые они наблюдали, намекали на наличие «необратимых» взаимодействий, например, таких, которые «нарушают» третий закон Ньютона.
«Строго говоря, третий закон Ньютона не может быть нарушен — дополнительный импульс, приобретённый частицами, теряется в звуке», — объясняет Вайтукайтис. «Вводя электростатическое отталкивание, мы теперь можем поддерживать стабильные, хорошо разделённые структуры. Это наконец даёт нам контролируемую платформу для изучения этих тонких необратимых эффектов».
Метод команды открывает новые возможности для манипулирования материей в воздухе с потенциальными приложениями в материаловедении, микророботике и других областях, где используются контролируемые динамические структуры из небольших строительных блоков.
observable predictions for measurable quantities and experimental data that could reveal which of these theories actually describes nature best. A new study from TU Wien published in Physical Review D may now have brought us a small step closer to this ambitious goal.»,»\»It’s a bit like the Cinderella fairy tale,\» says Benjamin Koch from the Institute for Theoretical Physics at TU Wien. \»There are several candidates, but only one of them can be the princess we are looking for. Only when the prince finds the slipper can he identify the real Cinderella. In quantum gravity, we have unfortunately not yet found such a slipper—an observable that clearly tells us which theory is the right one.\»»,»To determine the correct \»shoe size\»—in other words, to find measurable criteria for testing different theories—the team took a closer look at the concept of geodesics. \»Practically everything we know about general relativity relies on the interpretation of geodesics,\» explains Koch.»,»\»A geodesic is the shortest connection between two points—on a flat plane that’s simply a straight line, whereas on curved surfaces things become more complicated.\» For example, if you want to move from the North Pole to the South Pole on the surface of a sphere, the shortest path is a semicircle.»,»In relativity theory, space and time are inseparably linked. Together, they form a four-dimensional spacetime, which is curved by masses such as stars or planets. According to general relativity, Earth orbits the sun because the sun’s mass bends space and time, thereby curving the geodesic along which Earth moves into an approximately circular path.»,»The course of these geodesics is determined by the so-called metric—a measure of how strongly spacetime is curved. \»We can now try to apply the rules of quantum physics to this metric,\» says Koch. \»In quantum physics, particles have neither a precisely defined position nor a precisely defined momentum. Instead, both are described by probability distributions. The more precisely you know one of them, the more fuzzy and uncertain the other becomes.\»»,»In a similar way to how particle positions and momenta are replaced in quantum physics by a more complicated mathematical object—a quantized wave function—one can now also try to replace the metric of general relativity with a quantized version. In that case, spacetime curvature is no longer exactly defined at every point; it is replaced by a quantum-mechanically fuzzy version of this quantity.»,»But together with his Ph.D. student Ali Riahinia and Angel Rincón (Czech Republic), Koch has now succeeded in quantizing the metric in a novel way for an important special case—that of a spherically symmetric gravitational field that does not change over time.»,»Such a field can be used, for example, to describe the gravity of the sun. \»Next, we wanted to calculate how a small object behaves in this gravitational field—but using the quantum version of this metric,\» says Koch. \»In doing so, we realized that one has to be very careful—for instance, whether one is allowed to replace the metric operator by its expectation value, a kind of quantum average of the spacetime curvature. We were able to answer this question mathematically.\»»,»The result was an equation which the team calls the q-desic equation, in analogy to the classical concept of geodesics. \»This equation shows that in a quantum spacetime, particles do not always move exactly along the shortest path between two points, as the classical geodesic equation would predict.\» This means that by observing the trajectories of freely moving particles in spacetime (such as an apple falling toward Earth in outer space), one can infer the quantum properties of the metric.»,»So how large are the differences between a q-desic and a classical geodesic? If we consider only ordinary gravitation, the weakest of the known fundamental forces, it turns out that the difference is minimal. \»In this case, we end up with deviations of only about 10-35 meters—far too small to ever be observed in any experiment,\» says Koch.»,»However, general relativity includes another important quantity—the cosmological constant, which is also known as \»dark energy.\» It is responsible for the accelerated expansion of the universe on the largest scales. This cosmological constant can also be included in the q-desic equation. \»And when we did that, we were in for a surprise,\» reports Koch. \»The q-desics now differ significantly from the geodesics one would obtain in the usual way without quantum physics.\»»,»Interestingly, there are deviations both at very small distances and at very large distances. While the deviations at small distances will probably remain unobservable, at length scales of around 1021 meters there can be substantial differences.»,»\»In between, for example, when it comes to Earth’s orbit around the sun, there is practically no difference. But on very large cosmological scales—precisely where major puzzles of general relativity remain unsolved—there is a clear difference between the particle trajectories predicted by the q-desic equation and those obtained from unquantized general relativity,\» says Koch.»,»The work is not only a novel mathematical approach to linking quantum theory and gravitation—above all, it opens up new ways of comparing the theory with observations. \»At first I would not have expected quantum corrections on large scales to produce such dramatic changes,\» says Koch.»,»\»We now need to analyze this in more detail, of course, but it gives us hope that by further developing this approach we can gain a new, and observationally well testable, insight into important cosmic phenomena—such as the still unsolved puzzle of the rotation speeds of spiral galaxies.\»»,»Or, to return to the Cinderella story: we may finally have identified an observable that allows us to distinguish between viable and incorrect approaches to quantum gravity. A slipper has been found—now we have to find out which theory it truly fits.»,»\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tVienna University of Technology\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t»,»\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Other Physics Topics\n\t\t\t\t\t\t «]’>Источник