Hodiny s vlnou hmoty - Matter wave clock

A hodinové vlny hmoty je typ hodiny jehož princip činnosti využívá zdánlivé vlnové vlastnosti hmoty.

Hmotové vlny byly poprvé navrženy Louis de Broglie a někdy se jim říká de Broglieho vlny. Tvoří klíčový aspekt dualita vln-částic a experimenty od té doby tuto myšlenku podpořily. Vlna spojená s částice dané hmotnosti, jako je například atom, má definovaný frekvence a pevné trvání jednoho cyklu od vrcholu k vrcholu, kterému se někdy říká jeho Comptonova periodicita. Taková hmotná vlna má vlastnosti jednoduchých hodin v tom, že označuje pevné a stejné časové intervaly. The paradox dvojčat vyplývající z Albert Einstein teorie o relativita znamená, že pohybující se částice bude mít mírně odlišnou periodu od stacionární částice. Porovnání dvou takových částic umožňuje konstrukci praktických „Comptonových hodin“.^[1]

Hmota se vlní jako hodiny

De Broglie navrhl frekvenci F vlny hmoty se rovná E/h, kde E je celková energie částice a h je Planckova konstanta. U částice v klidu relativistická rovnice E=mc² umožňuje odvození Comptonova frekvence F pro stacionární masivní částice rovnou mc²/h.

De Broglie také navrhl, aby vlnová délka λ protože pohybující se částice se rovnala h/str kde str je hybnost částice.

Perioda (jeden cyklus vlny) se rovná 1 /F.

Přesně Comptonova periodicita o vlně hmoty se říká, že je nezbytnou podmínkou pro hodiny, s implikací, že kteroukoli takovou částici hmoty lze považovat za základní hodiny. Tento návrh byl označován jako „Skála jsou hodiny.“^[2]

Aplikace

Ve svém příspěvku „Kvantová mechanika, hmotné vlny a pohybující se hodiny“ Müller navrhl, že „Popis hmotných vln jako hodin hmotných vln ... byl nedávno aplikován na testy obecné relativity, experimenty s vlnami hmoty, základy kvantové mechaniky, kvantové časoprostorové dekoherence, hodinového / hmotového standardu vln hmoty a vedlo k diskusi o úloze správného času v kvantové mechanice. Je obecně kovariantní, a proto se dobře hodí pro použití v zakřiveném časoprostoru např. gravitační vlny. “^[3]

Důsledky

Ve svém příspěvku „Kvantová mechanika, vlny hmoty a pohybující se hodiny“ Müller navrhl, že „[Model] také vyvolal značné množství kontroverzí. V širším kontextu kvantové mechaniky ... byl tento popis opuštěn , částečně proto, že jej nebylo možné použít k odvození relativistické kvantové teorie nebo k vysvětlení spinu. Popisy, které nahradily hodinový obraz, dosahují těchto cílů, ale nemotivují použité pojmy ... Budeme konstruovat ... popis hmotných vln jako hodiny. Dojdeme tedy k časoprostorovému integrálu cesty, který je ekvivalentní s Diracovou rovnicí. Tato derivace ukazuje, že De Broglieova teorie vln hmoty přirozeně vede k částicím se spin-1 / 2. Týká se Feynmanova hledání pro vzorec pro amplitudu dráhy v prostorových a časových rozměrech 3 + 1, který je ekvivalentní Diracovy rovnici. Poskytuje novou intuitivní interpretaci šíření Diracovy částice a reprodukuje všechny výsledky standardní kvantové mechaniky , včetně těch, které s tím údajně nesouhlasí. Osvětluje tedy roli gravitačního rudého posuvu a správného času v kvantové mechanice. “^[3]

Kontroverze

Teoretická představa vln hmoty jako hodiny vyvolala určitou polemiku a vyvolala silnou kritiku.^[4][5]

Atomová interferometrie

An atomový interferometr používá malý rozdíl ve vlnách spojených se dvěma atomy k vytvoření pozorovatelného interferenčního vzoru. Obvykle jsou tyto vlny spojeny s elektrony obíhajícími okolo atomu, ale teorie vln hmoty naznačuje, že lze alternativně použít vlnu spojenou s dualitou vln-částic atomu samotného.

Experimentální zařízení obsahuje dva mraky atomů, z nichž jeden dostává malý „kop“ z přesně vyladěného laseru. To mu dává konečnou rychlost, která podle teorie vln hmoty snižuje pozorovanou frekvenci. Tyto dva mraky jsou poté rekombinovány tak, aby jejich odlišné vlny interferovaly, a maximální výstupní signál je získán, když je frekvenční rozdíl celočíselný počet cyklů.

Experimenty navržené kolem myšlenky interference mezi vlnami hmoty (jako hodiny) údajně poskytly dosud nejpřesnější validaci gravitační rudý posuv předpovídal obecná relativita. Podobný atomový interferometr tvoří srdce Comptonské hodiny.

Tato deklarovaná interpretace funkce interferometrie však byla kritizována. Jedna kritika je, že skutečný Comptonův oscilátor nebo vlna hmoty se neobjeví v návrhu žádného skutečného experimentu.^[6] Interpretace vln hmoty je také považována za chybnou.^[4][5]

Comptonské hodiny

Funkční hodinky navržené na základě interferometrie vln hmoty se nazývají Comptonovy hodiny.^[2]

Principy činnosti

Frekvence vlny spojená s masivní částice, jako je atom, je příliš vysoká na to, aby ji bylo možné použít přímo v praktických hodinách, a její perioda a vlnová délka jsou příliš krátké. Praktické zařízení využívá paradox dvojčat vyplývající z teorie relativita, kde pohybující se částice stárne pomaleji než stacionární. Pohybující se vlna částic má tedy o něco nižší frekvenci. Použitím interferometrie lze přesně měřit rozdíl nebo „frekvenci rytmu“ mezi těmito dvěma frekvencemi a tuto frekvenci rytmu lze použít jako základ pro udržení času.^[3]

Měření hmotnosti

Technika používaná v zařízeních může být teoreticky obrácena, aby se využil čas k měření hmotnosti. To bylo navrženo jako příležitost k nahrazení platino-iridiového válce, který se v současné době používá jako referenční standard 1 kg.^[2]

Reference