Zegar fal materii

Zegar fal materii to rodzaj zegara , którego zasada działania wykorzystuje pozorne falowe właściwości materii.

Fale materii zostały po raz pierwszy zaproponowane przez Louisa de Broglie i są czasami nazywane falami de Broglie'a. Stanowią kluczowy aspekt dualizmu falowo-cząsteczkowego, a eksperymenty od tego czasu wspierają ten pomysł. Fala związana z cząstką o określonej masie, np. atomem , ma określoną częstotliwość i zmianę czasu trwania jednego cyklu od piku do piku, która jest czasami nazywana okresowością Comptona . Taka fala materii ma cechy prostego zegara, ponieważ wyznacza stałe i równe odstępy czasu. Paradoks bliźniaków wynikający z teorii względności Alberta Einsteina oznacza, że ​​poruszająca się cząstka będzie miała nieco inny okres niż cząstka nieruchoma. Porównanie dwóch takich cząstek pozwala na zbudowanie praktycznego „zegara Comptona”.

Fale materii jak zegary

De Broglie zaproponował, że częstotliwość f fali materii jest równa E / h , gdzie E to całkowita energia cząstki, a h to stała Plancka . Dla spoczynkowej cząstki relatywistyczne równanie E = mc ² pozwala wyprowadzić częstotliwość Comptona f dla nieruchomej masywnej cząstki, równą mc ² / h .

De Broglie zaproponował również, że długość fali λ dla poruszającej się cząstki była równa h / p , gdzie p jest pędem cząstki.

Okres (jeden cykl fali) jest równy 1/ f .

że ta dokładna okresowość Comptona fali materii jest warunkiem koniecznym dla zegara, co sugeruje, że każdą taką cząstkę materii można uznać za zegar podstawowy. Ta propozycja została nazwana „Kamień to zegar”.

Aplikacje

W swoim artykule „Mechanika kwantowa, fale materii i ruchome zegary” Müller zasugerował, że „opis fal materii jako zegarów fal materii… został niedawno zastosowany do testów ogólnej teorii względności, eksperymentów z falami materii, podstaw mechaniki kwantowej, kwantowej dekoherencji czasoprzestrzennej, zegara fali materii/wzorca masy i doprowadził do dyskusji na temat roli czasu właściwego w mechanice kwantowej. Jest generalnie kowariantny, a zatem dobrze nadaje się do zastosowania w zakrzywionej czasoprzestrzeni , np. fale grawitacyjne”.

Implikacje

W swoim artykule „Mechanika kwantowa, fale materii i ruchome zegary” Müller zasugerował, że „[Model] również wzbudził sporo kontrowersji. W szerszym kontekście mechaniki kwantowej… ten opis został porzucony , po części dlatego, że nie można go użyć do wyprowadzenia relatywistycznej teorii kwantowej lub wyjaśnienia spinu. Opisy, które zastąpiły obraz zegara, osiągają te cele, ale nie motywują używanych pojęć. ... Skonstruujemy ... opis fal materii jako zegarów. W ten sposób dojdziemy do całki po ścieżce czasoprzestrzennej, która jest równoważna równaniu Diraca. To wyprowadzenie pokazuje, że teoria fal materii De Broglie'a w naturalny sposób prowadzi do cząstek o spinie 1/2. Odnosi się to do poszukiwań Feynmana dla wzoru na amplitudę ścieżki w 3+1 wymiarach przestrzenno-czasowych, który jest równoważny równaniu Diraca.Daje nową intuicyjną interpretację propagacji cząstki Diraca i odtwarza wszystkie wyniki standardowej mechaniki kwantowej, w tym te rzekomo się z tym kłócić. W ten sposób rzuca światło na rolę grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni i właściwego czasu w mechanice kwantowej”.

Spór

Teoretyczny pomysł fal materii jako zegarów wywołał pewne kontrowersje i spotkał się z ostrą krytyką.

Interferometria atomowa

Interferometr atomowy wykorzystuje niewielką różnicę fal związanych z dwoma atomami, aby stworzyć obserwowalny wzór interferencji. Konwencjonalnie fale te są związane z elektronami krążącymi wokół atomu, ale teoria fal materii sugeruje, że alternatywnie można zastosować falę związaną z dualnością falowo-cząsteczkową samego atomu.

Eksperymentalne urządzenie składa się z dwóch chmur atomów, z których jeden otrzymuje niewielkie „kopnięcie” z precyzyjnie dostrojonego lasera. Daje to jej skończoną prędkość, która zgodnie z teorią fal materii obniża obserwowaną częstotliwość. Dwie chmury są następnie ponownie łączone, tak że ich różne fale interferują, a maksymalny sygnał wyjściowy uzyskuje się, gdy różnica częstotliwości jest liczbą całkowitą cykli.

Uważa się, że eksperymenty zaprojektowane wokół idei interferencji między falami materii (jak zegary) dostarczyły najdokładniejszego jak dotąd potwierdzenia grawitacyjnego przesunięcia ku czerwieni przewidywanego przez ogólną teorię względności . Podobny interferometr atomowy stanowi serce zegara Comptona .

Jednak ta rzekoma interpretacja funkcji interferometrii została skrytykowana. Jedna krytyka dotyczy tego, że prawdziwy oscylator Comptona lub fala materii nie pojawia się w projekcie żadnego rzeczywistego eksperymentu. Uważa się również, że interpretacja fal materii jest błędna.

Zegary Comptona

Funkcjonalny zegarek zaprojektowany w oparciu o interferometrię fal materii nazywany jest zegarem Comptona.

Zasady działania

Częstotliwość fali związanej z masywną cząstką, taką jak atom, jest zbyt wysoka, aby można ją było zastosować bezpośrednio w praktycznym zegarze, a jej okres i długość fali są zbyt krótkie. Praktyczne urządzenie wykorzystuje paradoks bliźniaków wynikający z teorii względności , w którym poruszająca się cząstka starzeje się wolniej niż nieruchoma. Poruszająca się fala cząstek ma zatem nieco niższą częstotliwość. Za pomocą interferometrii można dokładnie zmierzyć różnicę lub „częstotliwość uderzeń” między dwiema częstotliwościami, a tę częstotliwość uderzeń można wykorzystać jako podstawę do utrzymywania czasu.

Pomiar masy

Technikę stosowaną w urządzeniach można teoretycznie odwrócić, aby wykorzystać czas do pomiaru masy. Zaproponowano to jako okazję do zastąpienia cylindra platynowo-irydowego używanego obecnie jako 1-kilogramowy wzorzec odniesienia.