Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США провели необычный эксперимент в рамках подтверждения квантовой природы гравитации.
В рамках эксперимента ученые с помощью лазеров охладили крошечный крутильный маятник почти до абсолютного нуля. Таким образом они надеются узнать, ведет ли себя гравитация подобно другим квантовым силам.
Вопрос того, как действует гравитация на квантовом уровне, интересует научное сообщество уже давно. До сих пор ученые не смогли создать последовательную квантовую теорию гравитации.
«Физики-теоретики предложили множество возможных сценариев — от гравитации, изначально классической до полностью квантовой, но спор остается нерешенным, поскольку у нас никогда не было четкого способа проверить квантовую природу гравитации в лабораторных условиях. Ключ к ответу на этот вопрос заключается в подготовке механических систем, которые достаточно массивны, чтобы ощущать гравитацию, но при этом достаточно тихие — достаточно квантовые — чтобы показать, как гравитация взаимодействует с ними», — объясняет доктор на кафедре машиностроения в MIT Дончел Шин.
В недавнем эксперименте Дончель Шин и его коллеги использовали лазеры для охлаждения крошечного механического крутильного маятника. Это впервые, когда ученые использовали лазеры для охлаждения подобного механизма с целью доказать квантовую природу гравитации.
«Крутильные маятники являются классическими инструментами исследования гравитации со времен знаменитого эксперимента Кавендиша в 1798 году. Их использовали для измерения силы тяжести Ньютона G, проверки закона обратных квадратов и поиска новых гравитационных явлений. Применяя методы лазерного охлаждения, изначально разработанные для атомов, к сантиметровому торсионному маятнику, мы пытаемся совместить классический и квантовый миры. Эта гибридная платформа позволяет проводить новый класс экспериментов — экспериментов, которые наконец позволят нам проверить, нужно ли описывать гравитацию квантовой теорией», — отмечает Дончель Шин.
В рамках исследования ученые с помощью лазеров охладили маятник размером не более сантиметра от комнатной температуры до 10 милликельвинов или — 273,14 °С с использованием зеркального оптического рычага. По словам Шина, это простая, однако мощная измерительная техника. Луч лазера направляется на зеркало и даже небольшой его наклон заставляет отраженный луч заметно смещаться на детекторе. Это увеличивает небольшие угловые движения в легко измеряемые сигналы.
Между тем исследователь подчеркнул, что несмотря на простоту идеи, ученые столкнулись с трудностями, поскольку луч лазера может едва заметно дрожать вследствие воздушных потоков, вибраций, или же из-за несовершенства оптических приборов. Эта дрожь может ошибочно восприниматься как движение зеркала и ограничивать способность ученых измерять истинные сигналы. Из-за этого ученые использовали зеркальный оптический рычаг с помощью второй, зеркальной версии лазерного луча для устранения нежелательного дрожания.
«Один луч взаимодействует с маятником, а другой отражается от зеркала с угловым кубом, обращая любое дрожание, не улавливая движение маятника. Когда два луча объединяются на детекторе, реальный сигнал от осциллятора сохраняется, а ложное движение от дрожания лазера устраняется», — подчеркнул Дончель Шин.
Такой подход уменьшил шум в тысячу раз, что позволило исследователям обнаружить движение с чрезвычайной точностью, почти в 10 раз лучше, чем собственные квантовые нулевые флуктуации маятника. Как отмечает Шин, ученым удалось достичь квантово-ограниченной точности ниже нулевого движения маятника, однако достижение фактического основного квантового состояния остается целью исследователей.
Команда ученых планирует еще больше усилить оптическое взаимодействие — используя оптический резонатор, который усиливает угловые сигналы, или стратегии оптического захвата. Эти улучшения могут открыть дверь к экспериментам, в которых два таких осциллятора взаимодействуют только за счет гравитации, что позволит напрямую проверить, является ли гравитация квантовой или нет.
Физики приблизились к «Теории всего» за счет нового объяснения гравитации
Результаты исследования были опубликованы в журнале Optica
СпецпроектыВід FoxPro до АІ: історія компанії «Медирент», яка розвиває GovTech в Україні вже 30 роківOut of School: HP запустив знижки до 40% на аксесуари в Україні
Источник: SciTechDaily