Kvantni žiroskop mogao bi izmjeriti kako Zemlja povlači prostor-vrijeme

Zemlja se ne okreće samo kroz prostor. Prema općoj teoriji relativnosti, njezina rotacija vrlo blago povlači i samo prostor-vrijeme. Taj se učinak naziva gravitacijsko povlačenje ili frame-dragging, a fizičari sada predlažu novi način njegova mjerenja.

Ideja se temelji na prstenastoj cijevi ispunjenoj helijem-4 u superfluidnom stanju. Kada se helij ohladi ispod približno 2,17 kelvina, odnosno oko –271 Celzijeva stupnja, može teći bez uobičajenog trenja. U takvim uvjetima kvantna svojstva fluida postaju dovoljno stabilna da posluže kao iznimno osjetljiv senzor.

Predloženi uređaj imao bi Josephsonov spoj, odnosno vrlo tanku barijeru kroz koju bi kvantni sustav mogao pokazivati mjerljivu faznu razliku. Rotacija i gravitacijski učinak na sustav promijenili bi tu fazu. Znanstvenici bi promjenu pratili preko mehaničke membrane povezane s petljom.

Autori procjenjuju da bi uređaj u idealnim uvjetima mogao razlučiti Zemljino gravitacijsko povlačenje do približno 0,2 posto unutar jedne sekunde mjerenja. To je ambiciozna procjena, a ne rezultat već izvedenog laboratorijskog pokusa. Ključni je problem izrada helijeva Josephsonova spoja koji bi mogao pouzdano raditi na temperaturama od nekoliko milikelvina.

Osjetljivost predloženog žiroskopa zvuči gotovo nestvarno. Modeli računaju na mogućnost detekcije rotacije reda jedne revolucije u četiri milijarde godina. Takav broj ne znači da bi se uređaj morao toliko dugo vrtjeti, nego opisuje koliko bi precizan mogao biti u razlikovanju vrlo malih promjena rotacije.

Zašto je takav senzor važan? Mjerenje frame-dragginga pomaže testirati opću relativnost u novim uvjetima. Precizni žiroskopi mogli bi se koristiti i za istraživanja gravitacije, geodezije i razlika u protoku vremena između različitih putanja.

Ipak, do praktičnog uređaja treba proći još mnogo koraka. Znanstveni rad zasad opisuje izvediv eksperimentalni smjer, a ne gotovu tehnologiju. Potrebno je stabilizirati superfluidni sustav, smanjiti mehaničke gubitke i pokazati da se predviđeni signal može odvojiti od vibracija i drugih smetnji.

Ako se to uspije, mali kvantni sustav u laboratoriju mogao bi postati prozor u jedan od najnježnijih učinaka Einsteinove teorije. To nije uređaj koji već mjeri Zemlju, ali predstavlja zanimljiv plan kako bi se takvo mjerenje jednog dana moglo izvesti.