Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) у США провели незвичайний експеримент у рамках підтвердження квантової природи гравітації.
У рамках експерименту вчені за допомогою лазерів охолодили крихітний крутильний маятник майже до абсолютного нуля. Таким чином вони сподіваються дізнатись, чи веде себе гравітація подібно до інших квантових сил.
Питання того, як діє гравітація на квантовому рівні, цікавить наукову спільноту вже давно. Досі вчені не змогли створити послідовну квантову теорію гравітації.
«Фізики-теоретики запропонували безліч можливих сценаріїв — від гравітації, спочатку класичної до повністю квантової, але суперечка залишається невирішеною, оскільки в нас ніколи не було чіткого способу перевірити квантову природу гравітації в лабораторних умовах. Ключ до відповіді на це питання полягає у підготовці механічних систем, які досить масивні, щоб відчувати гравітацію, але при цьому досить тихі — досить квантові — щоб показати, як гравітація взаємодіє з ними», — пояснює доктор на кафедрі машинобудування у MIT Дончель Шин.
У нещодавньому експерименті Дончель Шин та його колеги використали лазери для охолодження крихітного механічного крутильного маятника. Це вперше, коли науковці використали лазери для охолодження подібного механізму з метою довести квантову природу гравітації.
«Крутильні маятники є класичними інструментами дослідження гравітації з часів знаменитого експерименту Кавендиша у 1798 році. Їх використовували для вимірювання сили тяжіння Ньютона G, перевірки закону зворотних квадратів і пошуку нових гравітаційних явищ. Застосовуючи методи лазерного охолодження, спочатку розроблені для атомів, до сантиметрового торсіонного маятника, ми намагаємось поєднати класичний та квантовий світи. Ця гібридна платформа дозволяє проводити новий клас експериментів — експериментів, які нарешті дозволять нам перевірити, чи потрібно описувати гравітацію квантовою теорією», — зазначає Дончель Шин.
У рамках дослідження науковці за допомогою лазерів охолодили маятник розміром не більше сантиметру від кімнатної температури до 10 мілікельвінів або – 273,14 °С з використанням дзеркального оптичного важеля. За словами Шина, це проста, однак потужна вимірювальна техніка. Промінь лазера спрямовується на дзеркало і навіть невеликий його нахил змушує відбитий промінь помітно зміщуватися на детекторі. Це збільшує невеликі кутові рухи в сигнали, що легко вимірюються.
Між тим дослідник підкреслив, що незважаючи на простоту ідеї, науковці зіштовхнулись з труднощами, оскільки промінь лазера може ледве помітно тремтіти внаслідок повітряних потоків, вібрацій, або ж через недосконалість оптичних приладів. Ці тремтіння можуть помилково сприйматися як рух дзеркала і обмежувати здатність науковців вимірювати істині сигнали. Через це вчені використали дзеркальний оптичний важіль за допомогою другої, дзеркальної версії лазерного променя для усунення небажаного тремтіння.
«Один промінь взаємодіє з маятником, а інший відбивається від дзеркала з кутовим кубом, звертаючи будь-яке тремтіння, не вловлюючи рух маятника. Коли два промені поєднуються на детекторі, реальний сигнал від осцилятора зберігається, а помилковий рух від тремтіння лазера скасовується», — підкреслив Дончель Шин.
Такий підхід зменшив шум у тисячу разів, що дозволило дослідникам виявити рух із надзвичайною точністю, майже в 10 разів краще, ніж власні квантові нульові флуктуації маятника. Як зазначає Шин, науковцям вдалось досягти квантово-обмеженної точності нижче нульового руху маятника, однак досягнення фактичного основного квантового стану залишається метою дослідників.
Команда науковців планує ще більше посилити оптичну взаємодію — використовуючи оптичний резонатор, який підсилює кутові сигнали, або стратегії оптичного захоплення. Ці поліпшення можуть відкрити двері до експериментів, у яких два таких осцилятори взаємодіють лише за рахунок гравітації, що дозволить безпосередньо перевірити, чи є гравітація квантовою чи ні.
Фізики наблизились до «Теорії всього» через нове пояснення гравітації
Результати дослідження були опубліковані у журналі Optica
Джерело: SciTechDaily
Повідомити про помилку
Текст, який буде надіслано нашим редакторам: