Квантовый сенсор сможет измерить, как Земля увлекает за собой пространство-время
Физики предложили лабораторный эксперимент. Он может уловить эффект увлечения инерциальных систем. Это одно из самых тонких предсказаний теории относительности Эйнштейна. Если устройство заработает, оно измерит, как вращение нашей планеты «тянет» за собой пространство-время. Причём сделает это не в космосе, а на столе в лаборатории [1].
Общая теория относительности описывает гравитацию как искривление пространства-времени. Она также предсказывает, что вращающийся объект увлекает за собой окружающее пространство-время. Так делает и Земля. Этот эффект называют увлечением инерциальных систем, или эффектом Лензе — Тирринга. Он чрезвычайно слаб [4]. Чтобы его заметить, нужны массивные объекты вроде чёрных дыр. Либо приборы исключительной чувствительности.
Что именно предлагают учёные
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Австрийской академии наук и Калтеха предложили использовать сверхтекучий гелий-4. На его основе они хотят создать квантовый гирометр. Это прибор для измерения вращения [1].
При охлаждении ниже 2,17 Кельвина (около −271 °C) гелий-4 становится сверхтекучим. Это жидкость, которая течёт без трения. Учёные предлагают заполнить таким гелием кольцеобразную трубку. Затем они планируют измерять изменения потока. Для этого нужна специальная перегородка с нанопорами. Такая перегородка называется джозефсоновским контактом [1].
«Экспериментальная сигнатура — это квантово-механическая разность фаз. Она появляется на джозефсоновском контакте, когда устройство вращается», — объяснил Кай-Исаак Эллерс. Он первый автор работы. Эту разность фаз измеряют, отслеживая движение механической мембраны. Мембрана соединена с петлёй сверхтекучей жидкости [1].
Почему это сложно
Подобные сенсоры уже создавались в лаборатории Ричарда Паккарда в Беркли. С их помощью удавалось измерить вращение самой Земли. Однако сигнал от увлечения инерциальных систем очень мал. До сих пор его не удавалось выделить [1].
«Дополнительная фаза из-за эффекта увлечения чрезвычайно мала. Её вклад может быть перекрыт случайными фазами из-за теплового шума», — пояснил Эллерс [1].
Чтобы оценить реалистичность идеи, исследователи провели новый анализ тепловых шумов устройства. В этом им помог Кит Шваб из Калтеха. Это экспериментатор, который десятилетиями строит устройства на сверхтекучем гелии [8].
Насколько это может быть чувствительно
Расчёты показали: сверхтекучий гирометр можно охладить до 10 милликельвинов. Это сотые доли градуса выше абсолютного нуля. При такой температуре чувствительность устройства значительно вырастет [1].
«Наши результаты показывают, что при температуре 10 мК гирометр способен достичь высокой чувствительности. Она соответствует или даже превосходит лучшие измерения увлечения на сегодняшний день. Причём за значительно меньшее время», — сказал Эллерс [1].
Согласно препринту на arXiv, ожидаемая спектральная плотность шума составляет 5 × 10⁻¹⁷ рад/с/√Гц при 10 мК. Этого достаточно, чтобы измерить скорость увлечения с точностью 0,2% за одну секунду. Чувствительность к вращению соответствует одному обороту за 4 миллиарда лет. А измеряемая разность собственного времени — 10⁻³⁵ секунды [3].
Почему это важно для науки
Предыдущие измерения увлечения инерциальных систем Земли проводились с помощью спутников. В 2004 году команда Иньяцио Чуфолини использовала лазерную дальнометрию спутников LAGEOS. Тогда эффект измерили с точностью около 10% [6]. Миссия NASA Gravity Probe B использовала четыре сверхточных гироскопа. Она стартовала в том же 2004 году [7].
Совсем недавно международная команда с участием GFZ измерила эффект с помощью спутников LARES-2 и LAGEOS. Относительная погрешность составила около 0,2%. Это примерно в 10 раз точнее предыдущих тестов [2].
Однако у нового предложения есть важное преимущество. Его можно реализовать в лаборатории на Земле, а не в космосе. Это делает эксперимент гораздо доступнее и дешевле.
Кроме того, устройство открывает возможность проверить общую теорию относительности с невиданной точностью. Например, можно было бы исследовать процессы на временных масштабах. Они лишь на несколько порядков превышают планковское время. Это масштаб, важный для квантовой гравитации [1].
«Ещё одна интересная особенность нашего предложения — возможность наблюдать истинно общерелятивистский эффект в макроскопической квантовой системе, — добавил Эллерс. — Ведь увлечение инерциальных систем не предсказывается ньютоновской гравитацией» [1].
Путь к измерению
Работа опубликована в Physical Review Letters в сентябре 2026 года. Теперь исследователи планируют эксперименты для проверки своей идеи [5].
Для реализации сенсора сначала нужно создать джозефсоновские контакты для сверхтекучего гелия-4. Они должны работать при милликельвиновых температурах. Это тысячные доли градуса выше абсолютного нуля. Предыдущие эксперименты проводились вблизи температуры сверхтекучего перехода. Это создавало слишком много теплового шума [1].
«Работа в этом направлении уже ведётся в лаборатории Кита в Калтехе, — сказал Эллерс. — На теоретической стороне мы начинаем думать о новой физике. Что можно было бы увидеть, если бы мы могли исследовать временные масштабы, близкие к планковскому времени? Нас особенно интересует, могут ли существовать эффекты квантовой гравитации. Или других взаимодействий за пределами теории Эйнштейна. Они оставили бы следы в таком эксперименте» [1].
Список источников
- Quantum sensor could measure how Earth drags spacetime — Phys.org
- Einstein test in Earth orbit: Satellite orbits show how Earth’s rotation drags spacetime — GFZ
- Quantum Sensing of Gravitational Frame Dragging with a Superfluid He4 Gyrometer — Inspire HEP
- Frame-dragging — EPFL Graph Search
- Detecting How Earth Twists Spacetime — American Physical Society
- Swiveling Satellites See Earth’s Relativistic Wake — Science
- NASA Gravity Probe B mission enters science phase, ready to test Einstein’s theory — Phys.org
- Keith Schwab Research — Publications — Keith Schwab
