- 28,639
- 46
- 8 Ноя 2022
Почему один и тот же джозефсоновский переход «показывает» разные напряжения разным наблюдателям.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/675;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Чёрная дыра не переписывает законы квантовой физики, но заставляет далёкого наблюдателя иначе оценивать работу квантового устройства. Физики рассчитали, как сильная гравитация влияет на джозефсоновский переход, один из самых точных элементов современной квантовой техники. Рядом с прибором сохраняются привычные зависимости между током, напряжением и частотой, тогда как измерения на большом расстоянии уменьшаются из-за гравитационного красного смещения.
Реджи Пантиг и Али Овгюн опубликовали исследование в Journal of High Energy Physics . Полная библиографическая запись также доступна по DOI . Авторы рассмотрели джозефсоновский переход, неподвижно удерживаемый за пределами невращающейся чёрной дыры. Подобная схема служит теоретической моделью и не предполагает реального спуска лабораторного оборудования к горизонту событий.
Джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводников, разделённых чрезвычайно тонким барьером. Куперовские пары электронов проходят через преграду благодаря квантовому туннелированию и создают сверхток. Без внешнего напряжения сила тока зависит от разности квантовых фаз по обе стороны барьера. Постоянное напряжение заставляет разность фаз колебаться с частотой, строго связанной с приложенным напряжением.
Два перехода, соединённые в сверхпроводящее кольцо, образуют SQUID, сверхпроводящий квантовый интерферометр. Подобные приборы реагируют на ничтожные изменения магнитного потока и квантовой фазы, поэтому подходят для проверки того, как гравитация влияет на измерения квантовых систем.
В земной лаборатории приборы и наблюдатели обычно используют практически общий ход времени. Искривлённое пространство-время лишает эксперимент подобного удобства. Часы глубже в гравитационном поле идут медленнее относительно часов, расположенных дальше от массивного объекта. Энергия, напряжение и частота поэтому зависят не только от состояния устройства, но и от положения наблюдателя.
Авторы не вводили новые законы сверхпроводимости, а разделили локальные измерения и показания удалённого наблюдателя. Расчёт построили на калибровочно-инвариантном импульсе конденсата и сохраняющемся электрическом токе. Такой подход исключает зависимость результата от произвольного выбора координат или электромагнитного потенциала.
Затем физики применили математическую модель к статической внешней области чёрной дыры Шварцшильда. Пространство Шварцшильда описывает идеализированную сферическую чёрную дыру без вращения и электрического заряда.
Расчёты показали, что физика перехода рядом с прибором не меняется. Исследователь возле устройства измерит стандартные джозефсоновские зависимости. Учёный вдали от чёрной дыры получит меньшие значения напряжения и частоты, поскольку локальные часы идут медленнее относительно удалённых часов, а выходящий из сильного гравитационного поля сигнал испытывает красное смещение.
Ключевую роль играет коэффициент гравитационного красного смещения, который физики обозначают греческой буквой альфа. Вдали от чёрной дыры коэффициент близок к единице, а при приближении к горизонту событий стремится к нулю.
Критический ток, который приписывает устройству удалённый наблюдатель, уменьшается пропорционально альфе. Причина связана с количеством заряда, проходящего через переход за единицу удалённого времени. Мощность снижается пропорционально квадрату альфы, поскольку к замедлению переноса заряда добавляется потеря энергии сигнала из-за красного смещения.
Различие особенно важно для двух сверхпроводящих областей, расположенных на разном расстоянии от чёрной дыры. Одинаковые локальные падения напряжения не приводят к одинаковой скорости изменения квантовой фазы по часам далёкого наблюдателя. Напряжение каждого перехода входит в удалённое описание с собственным коэффициентом красного смещения, зависящим от положения прибора.
Подобное расхождение не означает изменения сверхпроводимости. Гравитация меняет правила сравнения измерений, проведённых на разных высотах и с использованием разных часов.
Авторы также изучили вертикально расположенный SQUID, где два джозефсоновских перехода находятся в немного различающихся гравитационных потенциалах. Можно предположить, что гравитация сдвинет всю интерференционную картину в сторону, однако расчёт не подтвердил подобный эффект при работе на постоянном токе.
В первом приближении красное смещение главным образом уменьшает амплитуду интерференционного сигнала. Форма огибающей получает намного более слабое искажение, а центры интерференционных максимумов остаются на прежних значениях магнитного потока.
При радиочастотном воздействии требуется различать красное смещение и задержку распространения сигнала. Когда частоту внешнего сигнала и напряжение задают с точки зрения удалённого наблюдателя, ступени Шапиро сохраняют прежние положения в соответствующих переменных.
Видимый сдвиг радиочастотной интерференционной картины может возникать, когда сигналы проходят по разным путям и накапливают различную фазу. В искривлённом пространстве-времени к разнице путей добавляется задержка Шапиро, вызванная прохождением сигнала через сильное гравитационное поле. Красное смещение меняет соотношение между локальными и удалёнными величинами, но само по себе не передвигает интерференционные полосы.
Возле горизонта событий расхождение между локальными и удалёнными показаниями становится огромным. При стремлении коэффициента альфа к нулю далёкий наблюдатель фиксирует почти исчезающий критический ток и ещё более слабую мощность, хотя прибор продолжает работать по обычным квантовым правилам в собственной локальной системе отсчёта. Одновременно растёт задержка поступающих сигналов.
Авторы подчёркивают ограничения модели. Физическую установку нельзя неподвижно удерживать прямо у горизонта событий, поскольку необходимое для зависания ускорение стремится к бесконечности. Размер перехода также должен оставаться намного меньше расстояния, на котором гравитационное поле заметно меняется.
Исследование представляет аналитический мысленный эксперимент и систему правил для сравнения измерений, а не предложение отправить сверхпроводящий прибор к реальной чёрной дыре.
На Земле рассматриваемая поправка остаётся ничтожной. При вертикальной разнице высот в один метр относительное гравитационное красное смещение составляет около одной части на 10 квадриллионов, или примерно 10⁻¹⁶. Настолько слабый сигнал значительно уступает шумам и систематическим погрешностям современных джозефсоновских устройств.
Ближайшее практическое применение может появиться в высокоточной метрологии, экспериментах с тщательно рассчитанными путями распространения сигналов и аналоговых системах, воспроизводящих отдельные особенности сильного гравитационного поля.
Главным результатом работы стала система соответствий между локальной квантовой физикой и измерениями далёкого наблюдателя. Подход позволяет не принимать гравитационное красное смещение за изменение состояния сверхпроводника и отделяет реальные процессы внутри устройства от влияния часов, координат и энергетических шкал.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/675;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Чёрная дыра не переписывает законы квантовой физики, но заставляет далёкого наблюдателя иначе оценивать работу квантового устройства. Физики рассчитали, как сильная гравитация влияет на джозефсоновский переход, один из самых точных элементов современной квантовой техники. Рядом с прибором сохраняются привычные зависимости между током, напряжением и частотой, тогда как измерения на большом расстоянии уменьшаются из-за гравитационного красного смещения.
Реджи Пантиг и Али Овгюн опубликовали исследование в Journal of High Energy Physics . Полная библиографическая запись также доступна по DOI . Авторы рассмотрели джозефсоновский переход, неподвижно удерживаемый за пределами невращающейся чёрной дыры. Подобная схема служит теоретической моделью и не предполагает реального спуска лабораторного оборудования к горизонту событий.
Джозефсоновский переход состоит из двух сверхпроводников, разделённых чрезвычайно тонким барьером. Куперовские пары электронов проходят через преграду благодаря квантовому туннелированию и создают сверхток. Без внешнего напряжения сила тока зависит от разности квантовых фаз по обе стороны барьера. Постоянное напряжение заставляет разность фаз колебаться с частотой, строго связанной с приложенным напряжением.
Два перехода, соединённые в сверхпроводящее кольцо, образуют SQUID, сверхпроводящий квантовый интерферометр. Подобные приборы реагируют на ничтожные изменения магнитного потока и квантовой фазы, поэтому подходят для проверки того, как гравитация влияет на измерения квантовых систем.
В земной лаборатории приборы и наблюдатели обычно используют практически общий ход времени. Искривлённое пространство-время лишает эксперимент подобного удобства. Часы глубже в гравитационном поле идут медленнее относительно часов, расположенных дальше от массивного объекта. Энергия, напряжение и частота поэтому зависят не только от состояния устройства, но и от положения наблюдателя.
Авторы не вводили новые законы сверхпроводимости, а разделили локальные измерения и показания удалённого наблюдателя. Расчёт построили на калибровочно-инвариантном импульсе конденсата и сохраняющемся электрическом токе. Такой подход исключает зависимость результата от произвольного выбора координат или электромагнитного потенциала.
Затем физики применили математическую модель к статической внешней области чёрной дыры Шварцшильда. Пространство Шварцшильда описывает идеализированную сферическую чёрную дыру без вращения и электрического заряда.
Расчёты показали, что физика перехода рядом с прибором не меняется. Исследователь возле устройства измерит стандартные джозефсоновские зависимости. Учёный вдали от чёрной дыры получит меньшие значения напряжения и частоты, поскольку локальные часы идут медленнее относительно удалённых часов, а выходящий из сильного гравитационного поля сигнал испытывает красное смещение.
Ключевую роль играет коэффициент гравитационного красного смещения, который физики обозначают греческой буквой альфа. Вдали от чёрной дыры коэффициент близок к единице, а при приближении к горизонту событий стремится к нулю.
Критический ток, который приписывает устройству удалённый наблюдатель, уменьшается пропорционально альфе. Причина связана с количеством заряда, проходящего через переход за единицу удалённого времени. Мощность снижается пропорционально квадрату альфы, поскольку к замедлению переноса заряда добавляется потеря энергии сигнала из-за красного смещения.
Различие особенно важно для двух сверхпроводящих областей, расположенных на разном расстоянии от чёрной дыры. Одинаковые локальные падения напряжения не приводят к одинаковой скорости изменения квантовой фазы по часам далёкого наблюдателя. Напряжение каждого перехода входит в удалённое описание с собственным коэффициентом красного смещения, зависящим от положения прибора.
Подобное расхождение не означает изменения сверхпроводимости. Гравитация меняет правила сравнения измерений, проведённых на разных высотах и с использованием разных часов.
Авторы также изучили вертикально расположенный SQUID, где два джозефсоновских перехода находятся в немного различающихся гравитационных потенциалах. Можно предположить, что гравитация сдвинет всю интерференционную картину в сторону, однако расчёт не подтвердил подобный эффект при работе на постоянном токе.
В первом приближении красное смещение главным образом уменьшает амплитуду интерференционного сигнала. Форма огибающей получает намного более слабое искажение, а центры интерференционных максимумов остаются на прежних значениях магнитного потока.
При радиочастотном воздействии требуется различать красное смещение и задержку распространения сигнала. Когда частоту внешнего сигнала и напряжение задают с точки зрения удалённого наблюдателя, ступени Шапиро сохраняют прежние положения в соответствующих переменных.
Видимый сдвиг радиочастотной интерференционной картины может возникать, когда сигналы проходят по разным путям и накапливают различную фазу. В искривлённом пространстве-времени к разнице путей добавляется задержка Шапиро, вызванная прохождением сигнала через сильное гравитационное поле. Красное смещение меняет соотношение между локальными и удалёнными величинами, но само по себе не передвигает интерференционные полосы.
Возле горизонта событий расхождение между локальными и удалёнными показаниями становится огромным. При стремлении коэффициента альфа к нулю далёкий наблюдатель фиксирует почти исчезающий критический ток и ещё более слабую мощность, хотя прибор продолжает работать по обычным квантовым правилам в собственной локальной системе отсчёта. Одновременно растёт задержка поступающих сигналов.
Авторы подчёркивают ограничения модели. Физическую установку нельзя неподвижно удерживать прямо у горизонта событий, поскольку необходимое для зависания ускорение стремится к бесконечности. Размер перехода также должен оставаться намного меньше расстояния, на котором гравитационное поле заметно меняется.
Исследование представляет аналитический мысленный эксперимент и систему правил для сравнения измерений, а не предложение отправить сверхпроводящий прибор к реальной чёрной дыре.
На Земле рассматриваемая поправка остаётся ничтожной. При вертикальной разнице высот в один метр относительное гравитационное красное смещение составляет около одной части на 10 квадриллионов, или примерно 10⁻¹⁶. Настолько слабый сигнал значительно уступает шумам и систематическим погрешностям современных джозефсоновских устройств.
Ближайшее практическое применение может появиться в высокоточной метрологии, экспериментах с тщательно рассчитанными путями распространения сигналов и аналоговых системах, воспроизводящих отдельные особенности сильного гравитационного поля.
Главным результатом работы стала система соответствий между локальной квантовой физикой и измерениями далёкого наблюдателя. Подход позволяет не принимать гравитационное красное смещение за изменение состояния сверхпроводника и отделяет реальные процессы внутри устройства от влияния часов, координат и энергетических шкал.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
