Исследовательская команда Массачусетского технологического института (MIT) провела уникальный эксперимент, направленный на изучение квантовой природы гравитации. Учёные применили лазерное охлаждение к крошечному крутильному маятнику, снизив его температуру почти до абсолютного нуля, чтобы исследовать, ведёт ли гравитация себя подобно другим квантовым силам.
Об этом сообщает ProIT
Лазерное охлаждение маятника и новые возможности для физики
Проблема влияния гравитации на квантовом уровне давно беспокоит научное сообщество, ведь до сих пор не существует полной квантовой теории гравитации. Исследователи MIT использовали лазеры для охлаждения маятника, впервые применив этот подход к столь массивной механической системе. Это позволило создать условия, в которых можно исследовать взаимодействие гравитации с квантовыми объектами.
«Физики-теоретики предложили множество возможных сценариев — от гравитации, изначально классической, до полностью квантовой, но спор остаётся нерешённым, поскольку у нас никогда не было чёткого 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 тихи — достаточно квантовы — чтобы показать, как гравитация взаимодействует с ними», — объясняет доктор кафедры машиностроения в MIT Дончель Шин.
Во время эксперимента учёные охладили маятник размером около сантиметра от комнатной температуры до 10 милликельвинов, или –273,14 °C, используя специальный зеркальный оптический рычаг. По словам исследователей, это простая, но чрезвычайно эффективная измерительная техника, которая позволяет даже самые маленькие угловые движения преобразовывать в чёткие измеряемые сигналы.
Вызовы эксперимента и будущие перспективы
Во время эксперимента учёные столкнулись с трудностями, связанными с внешними помехами — в частности, дрожанием лазерного луча, возникающим из-за воздушных потоков, вибраций или несовершенства оптики. Чтобы устранить эти нежелательные эффекты, был применён зеркальный оптический рычаг с второй, зеркальной версией лазерного луча. Таким образом, когда два луча соединялись на детекторе, истинный сигнал от маятника сохранялся, а ложное движение, вызванное дрожанием лазера, отменялось.
Благодаря этому подходу удалось снизить уровень шума в тысячу раз, что позволило фиксировать движение маятника с точностью, которая почти в десять раз превышает квантовые флуктуации системы. Учёные подчеркивают, что пока не удалось достичь основного квантового состояния, однако полученные результаты демонстрируют приближение к квантово-ограниченной точности.
В будущем команда планирует ещё больше усилить оптическое взаимодействие благодаря использованию оптических резонаторов или стратегий оптического захвата. Это может позволить проводить эксперименты, где два осциллятора взаимодействуют только через гравитацию, что откроет путь к прямой проверке квантовой природы гравитации.
Результаты исследования опубликованы в журнале Optica.