Дослідницька команда Массачусетського технологічного інституту (MIT) провела унікальний експеримент, спрямований на вивчення квантової природи гравітації. Вчені застосували лазерне охолодження до крихітного крутильного маятника, знизивши його температуру майже до абсолютного нуля, щоб дослідити, чи гравітація поводиться подібно до інших квантових сил.
Про це розповідає ProIT
Лазерне охолодження маятника та нові можливості для фізики
Проблема впливу гравітації на квантовому рівні давно турбує наукову спільноту, адже донині не існує повної квантової теорії гравітації. Дослідники MIT використали лазери для охолодження маятника, вперше застосувавши цей підхід до настільки масивної механічної системи. Це дозволило створити умови, в яких можна дослідити взаємодію гравітації з квантовими об’єктами.
«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.
Під час досліду науковці охолодили маятник розміром близько сантиметра від кімнатної температури до 10 мілікельвінів, або –273,14 °C, використовуючи спеціальний дзеркальний оптичний важіль. За словами дослідників, це проста, але надзвичайно ефективна вимірювальна техніка, яка дозволяє навіть найменші кутові рухи перетворювати на чіткі вимірювані сигнали.
Виклики експерименту та майбутні перспективи
Під час експерименту вчені зіткнулися з труднощами, пов’язаними з зовнішніми перешкодами — зокрема, тремтінням лазерного променя, що виникає через повітряні потоки, вібрації чи недосконалість оптики. Щоб усунути ці небажані ефекти, було застосовано дзеркальний оптичний важіль із другою, дзеркальною версією лазерного променя. Таким чином, коли два промені поєднувалися на детекторі, справжній сигнал від маятника зберігався, а хибний рух, зумовлений тремтінням лазера, скасовувався.
Завдяки цьому підходу вдалося знизити рівень шуму у тисячу разів, що дозволило фіксувати рух маятника з точністю, яка майже вдесятеро перевищує квантові флуктуації системи. Науковці підкреслюють, що поки що не вдалося досягти основного квантового стану, однак отримані результати демонструють наближення до квантово-обмеженої точності.
У майбутньому команда планує ще більше посилити оптичну взаємодію завдяки використанню оптичних резонаторів або стратегій оптичного захоплення. Це може дозволити проводити експерименти, де два осцилятори взаємодіють тільки через гравітацію, що відкриє шлях до прямої перевірки квантової природи гравітації.
Результати дослідження опубліковані у журналі Optica.
