Відповідь близько. Вчені пропонують відправити до Сонця атомний годинник, щоб розв’язати одну з найголовніших загадок фізики
Наукпоп17 грудня 2022, 15:05
Пошуки темної матерії є однією з головних задач фізиків. Ми досі не знаємо, чи існує цей загадковий компонент космосу в реальності, проте вчені впевнені — наш Всесвіт не міг би існувати у тому вигляді, яким ми його зараз бачимо, якби не темна матерія.
Секрет у гравітації, а точніше у тому, як саме рухається видима нам матерія. Постійне розширення Всесвіту мало б призвести до того, що зірки та галактики поступово розліталися б, а планети сходили зі своїх орбіт. Втім, цього не відбувається — усі об'єкти у космосі рухаються, проте загалом роблять це не хаотично, а в межах зрозумілих нам моделей.
Вважається, що темна матерія становить 85% від усієї матерії у Всесвіті, і лише 15% припадають на звичайну матерію, яку ми можемо бачити — зірки, планети і навіть чашка на вашому столі. Звідки вона взялась, що утримує її у просторі — все це питання, на які у нас немає відповіді. Проте найголовнішим завданням фізиків станом на зараз є практичний доказ її існування — простими словами, нам треба знайти темну матерію, щоб підтвердити (чи спростувати, якщо виявиться, що темної матерії не існує) придуману нами модель космосу.
Вчені придумують різні експерименти, щоб зафіксувати її — більше того, деякі дослідження вже навіть мають певні результати, які потенційно можуть привести нас до великих відкриттів. Проте поки що у нас немає результату, який неможливо піддати сумнівам, а тому вчені продовжують придумувати нові методи пошуку невловимої космічної компоненти.
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Команда, яка складається з японського та двох американських фізиків, у своїй новій роботі запропонувала зробити «квантовий датчик», відправивши на Сонце атомний годинник.
Розберемося по порядку — що таке атомний годинник, та чому саме до Сонця?
Атомні годинники є «ідеальними» девайсами для точного вимірювання часу. Звична нам секунда замінюється коливанням молекул, які викликають електромагнітне випромінювання.
Так, одна секунда дорівнює 9 192 631 770 періодам електромагнітного випромінювання, яке змушує електрони в атомі цезію-133 змінювати свій стан. Саме цей ізотоп є стандартом для найточнішого вимірювання часу, хоча іноді вчені можуть використовувати й інші метали — рубідій, стронцій чи кальцій. Головна вимога — щоб їхні атоми були нечутливими до магнітних, електричних і електромагнітних полів, тобто не піддавалися будь-якому зовнішньому впливу.
Атомні годинники почали використовувати в середині минулого століття. Його не підвісити на стіну, та і будильник навряд чи вдастся встановити, проте ці пристрої дуже допомагають науці. Спектр застосування атомних годинників насправді дуже широкий, хоча зазвичай ми про них майже не чуємо — це і навігація, і точна робота фондових бірж, і хронометраж, і багато чого іншого.
Нещодавно ми писали про те, як вченим з Оксфордського університета вдалося досягти квантової заплутаності між парою окремих атомних годинників. Серед іншого, команда зазначала, що у майбутньому квантову заплутаність між цими пристроями можна буде використовувати для пошуку темної матерії — начебто, темна матерія має зруйнувати квантовий зв’язок між годинниками як тільки вони пересічуться.
Себто, ідея використання квантового годинника для пошуків темної матерії не є новою. Проте принципова різниця — у підході. Точніше, у тому, що нове дослідження пропонує ідеальне місце для використання атомних годинників як квантові датчики.
Як ми пам’ятаємо, автори дослідження, яке ми зараз розглядаємо, пропонують відправити атомний годинник саме до Сонця. Чому саме туди?
Теоретично, розподіл темної матерії у Сонячній системі (як і всюди в космосу) диктується силою тяжіння. Тобто, масивний об'єкт буде притягувати до себе більше матерії — як звичайної, так і темної — та рахунок своєї гравітації. Враховуючи, що на Сонце припадає приблизно 99,85% загальної маси Сонячної системи, очевидно, що біля нашої зірки у вчених більше шансів зафіксувати темну матерію.
Водночас сонячний зонд NASA Parker Solar Probe показав, що у нас вже є можливість наближатися до Сонця — минулого року він не тільки став найшвидшим рукотворним об'єктом, який рухається зі швидкістю близько 150 км/с, а й вперше «торкнувся» сонячної атмосфери.
Автори не пропонують план для втілення цієї концепції у життя — це скоріше спосіб зрозуміти, чи є таке дослідження взагалі можливим. Дослідження показало, що теоретично це дійсно можливо.
Передбачається, що темна матерія викликає коливання певних універсальних констант (наприклад, маса електрона). Враховуючи, що атомні годинники вимірюють час кількістю електромагнітних випромінювань, темна матерія напряму вплине на енергію атомів, які і викликають це випромінювання.
Загальна концепція виглядає приблизно так — ми відправляємо у місце потенцільного скупчення темної матерії девайс, який працює за рахунок енергії атомів. Темна матерія напряму впливає на енергію атомів, а тому, як тільки ми побачимо подібні зміни, ми зможемо впевнитись у тому, що темна матерія дійсно існує.
Можливо, це дослідження покаже, що подібний план можна втілити у реальність. Враховуючи, що у нас вже є апарати, які літають до Сонця, а атомні годинники постійно розвиваються, не можна виключати, що у майбутньому ця концепція отримає якийсь більш чіткий план та фінансування.
Все ж таки на кону стоїть — ні більше ні менше — наше розуміння космосу.