Настольный квантовый сенсор из сверхтекучего гелия сможет измерить искривление пространства-времени Землёй за минуты

Учёные предложили новый настольный прибор для обнаружения тонкого эффекта того, как ежедневное вращение Земли вокруг своей оси закручивает окружающее её пространство-время, — эффекта, предсказанного общей теорией относительности Эйнштейна.

Если его построят, сенсор сможет измерять квантовый эффект, известный как увлечение инерциальных систем (frame dragging), с той же точностью, что и лучшие спутниковые эксперименты, но за минуты, а не за годы, предположили исследователи в новом исследовании.

Работа, опубликованная 17 сентября в журнале Physical Review Letters, была направлена на решение классического несоответствия в физике. Представьте кольцо часов, прикреплённых к вращающейся карусели. Вы синхронизируете каждые часы с соседними по кольцу. Затем сравниваете последние часы с первыми. Они не совпадают.

«Невозможно синхронизировать эту коллекцию часов, когда вы находитесь во вращающейся системе отсчёта», — сказал Live Science Кай-Изаак Эллерс, аспирант-физик Калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) и первый автор исследования.

Гравитация тормозит

Общая теория относительности Эйнштейна предсказывает, что массивный вращающийся объект увлекает за собой ткань пространства-времени, подобно ложке, крутящейся в мёде. Эффект отчётливо виден вокруг сверхмассивных объектов, таких как чёрная дыра в центре Млечного Пути. Но вокруг Земли эффект очень слабый.

До сих пор учёные измеряли увлечение инерциальных систем Землёй только с орбиты. Они отслеживали, как закручивание пространства-времени медленно смещает вращающиеся гироскопы или траектории спутников. В 2011 году спутник NASA Gravity Probe B, несший четыре гироскопа, подтвердил предсказание Эйнштейна с погрешностью около 18%. Спутники, отслеживаемые лазерами, с тех пор добились ещё лучших результатов. В июле исследователи сообщили в журнале Nature, что спутник LARES-2 сократил эту погрешность всего до 0,2%.

Однако на это ушло около трёх лет лазерного отслеживания. Исследователям также пришлось учитывать тот факт, что Земля выпукла на экваторе, а её масса распределена неравномерно, что придаёт гравитации планеты небольшие неоднородности, которые воздействуют на спутники гораздо сильнее, чем увлечение инерциальных систем. Чтобы вычесть эти воздействия, команда полагалась на подробные карты гравитации Земли, сделанные другими спутниками.

Более точное измерение увлечения инерциальных систем — это способ проверить общую теорию относительности на прочность. Несколько альтернативных теорий гравитации предсказывают немного иную величину закручивания, и лабораторное измерение также было бы свободно от модельных допущений, на которые опираются спутниковые эксперименты, сказал Эллерс.

Квантовая петля

Новый прибор представляет собой петлю из сверхтекучего гелия-4 — гелия, охлаждённого до состояния, когда он течёт без трения и ведёт себя как единый гигантский квантовый объект. Петля прерывается тонким барьером, усеянным крошечными отверстиями, — так называемым джозефсоновским переходом. Сверхтекучий гелий может просачиваться через отверстия, а обычный жидкий гелий — нет.

«Именно отсюда возникает квантовое поведение», — сказала К. Биргитта Уэйли, квантовый физик из UC Berkeley и соавтор исследования.

Когда Земля вращается и увлекает пространство-время, она слегка смещает квантовое состояние гелия, текущего через переход. Это смещение сдвигает частоту, с которой гелий плещется взад-вперёд в петле, что исследователи могли бы обнаружить.

Сверхтекучие устройства, многие из которых были построены в UC Berkeley, обнаруживали вращение Земли с конца 1990-х годов. Но версии на гелии-4, построенные вокруг джозефсоновского перехода, как в новой конструкции, работали в пределах примерно сотой доли градуса от 2,17 К (минус 455,76 по Фаренгейту, или минус 270,98 по Цельсию) — температуры, при которой гелий-4 становится сверхтекучим. При этой температуре остаточная доля «обычного» гелия, смешанного со сверхтекучим, добавляет шум.

Вместо этого команда рассчитала, как устройство будет вести себя при нескольких тысячных долях градуса выше абсолютного нуля. Ниже 0,7 К шум менял характер, и команда обнаружила, что он резко падает по мере охлаждения гелия. Один из ключевых выводов новой работы — результат анализа теплового шума команды, который показал, насколько чувствительными могут быть эти устройства при милликельвиновых температурах, сказал Эллерс.

Загвоздка — в барьере. Более ранние устройства на гелии-4 использовали отверстия шириной около 90 нанометров. Работа при таких морозных температурах требует гораздо меньших отверстий — около 1 нанометра в поперечнике, примерно размером с атом гелия. Кит Шваб, физик из Caltech и соавтор исследования, и его коллеги разрабатывают такие материалы, но они ещё не были встроены в работающий сенсор.

Если их удастся создать, исследователи подсчитали, что устройство сможет измерять увлечение инерциальных систем с точностью 0,2% примерно за 35 минут. Если его вибрирующую мембрану изготовить из кристаллов с наименьшими потерями, таких как кварц или сапфир, это время может сократиться примерно до одной секунды, сказали они.

«Это, похоже, очень удачная находка — что при милликельвиновых температурах мы можем получить такую высокую чувствительность», — сказала Уэйли Live Science.

Сигнал соответствует разнице во времени около 10⁻³⁵ секунды между течением гелия в одном направлении по петле и в другом — то же несоответствие, что и у часов на метафорической карусели.

«Интересно в этом то, насколько он мал, — сказала Уэйли. — Он не так уж далёк от планковского времени» — около 10⁻⁴⁴ секунды, кратчайшего отрезка времени, прежде чем, как ожидается, известные законы физики нарушатся. Этот эксперимент всё ещё в миллиард раз слишком велик, чтобы достичь этого предела, сказала Уэйли. Но будущие эксперименты с гелием могли бы помочь исследовать, течёт ли время плавно, как рампа, или тикает вперёд крошечными неделимыми скачками, как кадры фильма.

Источники: Ellers K.-I., Christodoulou M., Schwab K.C., Whaley K.B. Quantum sensing of gravitational frame dragging with a superfluid ⁴He gyrometer. Physical Review Letters, 2026; Live Science — «Tabletop quantum sensor could measure Earth’s frame dragging in minutes» (2026).