Coraz bliżej pomiaru grawitacji kwantowej – Świat Fizyki

Pierwsza technika umożliwiająca zmierzenie siły grawitacji na cząstce o średnicy zaledwie mikrona może pomóc w poszukiwaniu kwantowej teorii grawitacji – będącej od dawna celem fizyki. W nowym eksperymencie wykorzystano nadprzewodzące urządzenie do interferencji kwantowej (SQUID) do wykrywania siły działającej na cząstkę w ultraniskich temperaturach i tłumienia wibracji, które mogą zakłócać ruch pod wpływem grawitacji.

Grawitacja różni się od innych podstawowych sił tym, że opisuje krzywiznę czasoprzestrzeni, a nie proste interakcje między obiektami. Różnica ta częściowo wyjaśnia, dlaczego fizycy teoretyczni od dawna usiłują pogodzić grawitację (opisaną w ogólnej teorii względności Einsteina) z mechaniką kwantową. Jedną z głównych spornych kwestii jest to, że podczas gdy ta druga zakłada, że ​​czasoprzestrzeń jest stała, ta pierwsza stwierdza, że ​​zmienia się ona w obecności masywnych obiektów. Ponieważ eksperymenty mające na celu ustalenie, który opis jest poprawny, są niezwykle trudne do przeprowadzenia, teoria grawitacji kwantowej pozostaje poza zasięgiem pomimo wielu wysiłków teoretycznych w takich obszarach, jak teoria strun i pętlowa grawitacja kwantowa.

Wypędzenie z pola stanu Meissner

W nowej pracy, o której mowa w Postęp naukowy, fizyk Tjerka Oosterkampa of Uniwersytet w Leiden w Holandii wraz z kolegami z Uniwersytet w Southampton, Wielkiej Brytanii i Włoch Instytut Fotoniki i Nanotechnologii, zbadał granicę między grawitacją a mechaniką kwantową, badając przyciąganie grawitacyjne na cząstce magnetycznej o masie zaledwie 0.43 miligrama – blisko granicy, przy której zaczynają pojawiać się efekty kwantowe. Aby przeprowadzić badania, uwięzili cząstkę w polu magnetycznym generowanym przez przepuszczanie prądu przez przewody, które w temperaturach poniżej 100 milikelwinów stały się nadprzewodzące. Powstały „krajobraz” pola magnetycznego powoduje, że cząstka lewituje dzięki dobrze znanemu efektowi nadprzewodzącemu, znanemu jako wypychanie pola stanu Meissnera, w którym pole powstające z prądów w nadprzewodniku całkowicie przeciwstawia się własnemu polu magnetycznemu cząstki.

Gdy cząstka lewitowała, badacze zmierzyli bardzo małe zmiany w polu magnetycznym, które powstają, gdy cząstka porusza się wokół środka masy. Dokonali tego za pomocą zintegrowanego magnetometru DC SQUID, stale dostrajając częstotliwość potencjału pułapkowania magnetycznego. Umożliwiło im to scharakteryzowanie amplitudy ruchu cząstki jako funkcji tych przesunięć częstotliwości.

Tłumienie wibracji

Następnie badacze wywołali zaburzenie grawitacyjne, obracając ciężkie koło tuż obok lodówki, czyli kriostatu, w którym znajdował się eksperyment. Częstotliwość obrotu koła dostrojono tak, aby wzbudzić jedną z częstotliwości wibracji lewitowanej cząstki. Zanim jednak mogli zmierzyć zmiany w ruchu cząstki spowodowane zakłóceniami grawitacyjnymi, Oosterkamp i współpracownicy musieli najpierw upewnić się, że inne czynniki, które mogą wprawić cząstkę w ruch – takie jak wibracje pochodzące ze sprężarki i pomp odpowiedzialnych za chłodzenie nadprzewodnika – zostały bardzo dobrze wytłumiony.

„Okazało się to najpilniejszym wyzwaniem w naszym eksperymencie” – wyjaśnia Oosterkamp – „ale kiedy już nam się to udało, ruch pozostałej cząstki okazał się tak mały, że został zakłócony przez grawitację – i my faktycznie mógłby to zmierzyć.”

Przesuwanie granic

Pierwotnie Oosterkamp i współpracownicy zamierzali wykorzystać swój kriostat do chłodzenia i wzbudzania rezonatora mechanicznego. „Robiliśmy to, aby spróbować udowodnić, że może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie – podobnie jak elektron, gdy wykazuje efekty interferencji przechodząc przez dwie szczeliny” – wyjaśnia Oosterkamp. „Z interferencji można wyciągnąć wniosek, że elektron jest falą i przechodzi przez obie szczeliny jednocześnie. Na potrzeby naszego eksperymentu, do którego jeszcze daleka droga, pracowaliśmy nad izolowaniem wibracji, aby schłodzić czujnik siły i zaobserwować ten sam efekt w przypadku małego rezonatora mechanicznego”.

Wspomina, że ​​te początkowe eksperymenty wypadły tak dobrze, że zadali sobie pytanie: jaka jest najmniejsza siła, jaką mogą wywrzeć na cząstkę w swoim układzie, aby wykazać czułość eksperymentu? „Kiedy zdaliśmy sobie sprawę, że pomiary grawitacyjne są w zasięgu ręki, byliśmy szczególnie zmotywowani” – wspomina Oosterkamp.

Eksperyment musi być jeszcze bardziej czuły

Następnym krokiem, mówi Oosterkamp, ​​będzie jeszcze większe zbliżenie efektów grawitacyjnych i kwantowych. „Możliwość zmierzenia siły grawitacji cząstki znajdującej się w dwóch miejscach jednocześnie byłaby bardzo pożądana, ale w tym celu musimy uczynić nasz eksperyment jeszcze bardziej czułym i dokonać pomiarów na cięższych obiektach, które wykazują efekty kwantowe – takie jak superpozycja i na przykład splątanie” – mówi.

W tym celu badacze pracują nad zastąpieniem koła znajdującego się na zewnątrz kriostatu podobnym kołem lub śmigłem znajdującym się w środku. „Zamiast koła z kilogramowymi blokami umieszczonymi w odległości 30 cm od czujnika, mamy nadzieję uzyskać miligramowe masy na śmigle oddalonym o zaledwie centymetr” – mówi Oosterkamp.

W swoim eksperymencie zespół próbuje jeszcze bardziej wyizolować wibracje zewnętrzne i ochłodzić system. „Te środki mogłyby zwiększyć czułość pomiarów 100-krotnie” – mówi Oosterkamp.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/