Smygande klockor: Upptäckten av Einsteins relativitetsteori i en interagerande atomär lekplats

I över ett sekel har fysiker brottats med en av vetenskapens mest djupgående frågor: Hur passar kvantmekanikens regler, som styr de minsta partiklarna, ihop med den allmänna relativitetsteorins lagar, som beskriver universum i dess största skala?13

Optiska gitterklockor, som är bland de mest precisa tidmätningsinstrumenten, har blivit ett kraftfullt verktyg för att tackla denna utmaning. I en optisk gitterklocka fångas atomer i ett ”gitter” skapat av laserstrålar där de kan manipuleras med exakt kontroll över kvantkoherens och interaktioner som styrs av kvantmekanik.13

Samtidigt, enligt Einsteins allmänna relativitetsteori, går tiden långsammare i starkare gravitationsfält. Denna effekt, känd som gravitationsrödförskjutning, leder till en minimal förskjutning av atomernas interna energinivåer beroende på deras position i gravitationsfältet, vilket påverkar deras ”tickande” – de oscillationer som definierar tid i optiska gitterklockor.13

Upptäckter och framsteg

Forskare ledda av Jun Ye och Ana Maria Rey från JILA och NIST vid University of Colorado Boulder, i samarbete med forskare från flera internationella institutioner, har föreslagit praktiska protokoll för att utforska relativitetsteorins effekter på kvantsammanflätning och interaktioner i en optisk atomklocka.13

Deras arbete avslöjade att samspelet mellan gravitationseffekter och kvantinteraktioner kan leda till oväntade fenomen:

• Atomär synkronisering: Interaktioner mellan atomer kan låsa dem tillsammans så att de beter sig som ett enhetligt system istället för att ticka oberoende på grund av gravitationsrödförskjutningen.23
• Kvantsammanflätning: Kollektiva interaktioner mellan partiklar möjliggör inte bara synkronisering utan skapar även kvantsammanflätning, där partiklars kvanttillstånd blir sammankopplade.23

Innovativa metoder

För att utforska dessa utmaningar använde forskningsteamet flera innovativa tekniker:

• Dressing-protokoll: Denna teknik manipulerar partiklars interna tillstånd med laserljus för att särskilja gravitationseffekter från andra störningskällor. Detta är ett av de första fallen där protokollet används för att finjustera gravitationseffekter.3
• Fotonmedierade interaktioner: Genom att placera atomer i en optisk kavitet kan en atom i ett exciterat tillstånd återgå till grundtillståndet genom att emittera en foton som kan absorberas av en annan atom. Denna energiutväxling är nyckeln till att få partiklar att interagera även när de inte kan röra varandra fysiskt.3

Forskarna upptäckte att när fotonmedierade interaktioner introducerades började partiklarna synkronisera, vilket effektivt ”låste” deras tickande tillsammans trots skillnaderna i oscillationsfrekvenser som induceras av gravitationen.3

Denna synkronisering ledde också till skapandet av kvantsammanflätning, ett fenomen där partiklar blir sammankopplade och tillståndet hos en omedelbart påverkar den andra. Anmärkningsvärt nog fann forskarna att synkroniseringshastigheten också kunde fungera som ett indirekt mått på sammanflätning.3

Protokollen som utvecklats i denna studie kan hjälpa till att förfina experimentella tekniker, göra dem ännu mer precisa, med tillämpningar som sträcker sig från kvantdatorer till grundläggande fysikexperiment.3

Citations:

1. https://jila.colorado.edu/news-events/articles/sneaky-clocks-uncovering-einsteins-relativity-interacting-atomic-playground
2. https://bioengineer.org/hidden-clocks-exploring-einsteins-relativity-in-an-atomic-playground/
3. https://phys.org/news/2025-03-sneaky-clocks-uncovering-einstein-interacting.html
4. https://lifeboat.com/blog/2025/03/sneaky-clocks-uncovering-einsteins-relativity-in-an-interacting-atomic-playground
5. https://www.linkedin.com/posts/phys-org_sneaky-clocks-uncovering-einsteins-relativity-activity-7303422220310114306-hxPD
6. https://twitter.com/angelohrg/status/1897722440559870033
7. https://en.wikipedia.org/wiki/Hafele%E2%80%93Keating_experiment
8. https://www.eurekalert.org/multimedia/1063384
9. https://jila.colorado.edu
10. https://x.com/En_formare/status/1897526105294479496
11. https://www.nationalgeographic.com/science/article/100922-science-space-time-einstein-relativity-aging-gravity-earth
12. https://x.com/BrianRoemmele/status/1897657711334244369
13. https://sciencex.com/news/physorg/
14. https://phys.org/news/2021-10-atomic-clock-relativity.html
15. https://www.gsjournal.net/Science-Journals/Research%20Papers-Relativity%20Theory/Download/878
16. https://bigthink.com/starts-with-a-bang/flying-proved-einstein-right/