Niewielkie „Diabelskie koła” złożone z lekkich i ekstremalnie zimnych cząstek mogą pozwolić badaczom na przetestowanie jednego z aspektów teorii względności Alberta Einsteina na niezwykle małych skalach.
Teorie specjalnej i ogólnej teorii względności, które Einstein sformułował na początku XX wieku, zmieniły nasze zrozumienie czasu, ujawniając, że poruszające się zegary mogą tykać wolniej niż te, które pozostają w spokoju. Jeśli poruszasz się wystarczająco szybko lub przyspieszasz wystarczająco, czas, który mierzysz, będzie się rozciągał; to samo może się zdarzyć, gdy znajdziesz się w ruchu po okręgu. Te zjawiska obserwowano dla stosunkowo dużych obiektów, ale Vassilis Lembessis z Uniwersytetu Króla Sauda w Arabii Saudyjskiej i jego koledzy opracowali teraz sposób, aby przetestować je także na bardzo małych skalach.
Aby zbadać rotacje i czas dla najmniejszych obiektów, którymi możemy manipulować – atomy i cząsteczki – zwrócili się do ultrazimnego świata. Tutaj właściwości kwantowe, a także ruch atomów i cząsteczek, można manipulować w sposób niezwykle precyzyjny za pomocą wiązek laserowych i pól elektromagnetycznych. Faktycznie, w 2007 roku Lembessis i kilku innych kolegów opracowali metodę dostrojenia wiązek laserowych, aby utrzymać atomy w cylindrycznym kształcie. Nazwali to „optycznym diabelskim kołem”, a Lembessis twierdzi, że nowe obliczenia jego zespołu pokazują, że można je wykorzystać do obserwacji relatywistycznej rozciągłości czasu mierzonej przez ultrazimne cząstki.
Ich obliczenia pokazują, że cząsteczki azotu będą dobrym kandydatem do testowania relatywistycznej rozciągłości czasu w świecie kwantowym. Biorąc pod uwagę ruch elektronów w nich jak tyki wewnętrznego zegara, badacze mogli wykryć zmianę częstotliwości tikania o wielkości jednej jednostki na 10 kwadrylionów.
Tymczasem Lembessis twierdzi, że eksperymenty z optycznymi diabelskimi kołami były dotychczas stosunkowo rzadkie. Z tego powodu nowa propozycja otwiera drzwi do testowania względności w niezbadanym środowisku, gdzie mogą pojawić się nowe lub niespodziewane efekty. Na przykład kwantowa natura ultrazimnych cząstek może podważyć „hipotezę zegarową”, która ustala, jak bardzo przyspieszenie zegara zmienia jego tyki.
„Ważne jest sprawdzanie i potwierdzanie naszego zrozumienia zjawisk fizycznych w naturze. To wtedy, gdy dostajemy niespodziankę, coś nieoczekiwanego, musimy przemyśleć nasze rozumienie i uzyskać głębsze pojęcie o wszechświecie. Ta praca sugeruje alternatywny sposób sprawdzania systemów relatywistycznych z kilkoma wyraźnymi zaletami w porównaniu z mechanizmami, „mówi Patrik Öhberg z Uniwersytetu Heriot-Watt w Wielkiej Brytanii.
Na przykład, podczas gdy efekty relatywistyczne, takie jak rozciągłość czasu, zwykle wymagają bardzo szybkiego ruchu, użycie optycznych diabelskich kolek pozwoliłoby na ich dostępność bez konieczności osiągania niepraktycznie dużych prędkości, mówi Aidan Arnold z Uniwersytetu Strathclyde w Wielkiej Brytanii. „Dzięki niesamowitej dokładności zegarów atomowych… zmiana czasu „odczuwanego” przez atomy na diabelskim kole miała być zauważalna. Ponadto, ponieważ przyspieszone atomy nie przebywają daleko, jest dużo czasu na zarejestrowanie tej zmiany” – dodaje.
Zmiana skupienia wiązek laserowych mogłaby także kontrolować rozmiar diabelskiego koła, które by zamykało cząstki, testując tym samym efekt rozciągłości czasu dla różnych rotacji, mówi Lembessis. Ale pojawiłyby się także wyzwania techniczne, takie jak zapewnienie, że atomy lub cząsteczki nie ogrzeją się i nie staną się niekontrolowane podczas obrotu.
