Наближення до вимірювання квантової гравітації – Physics World

Перший метод, здатний виміряти силу тяжіння до частинки діаметром лише мікрони, може допомогти в пошуках квантової теорії гравітації – давньої мети фізики. У новому експерименті використовується надпровідний квантовий інтерференційний пристрій (SQUID) для виявлення сили, що діє на частинку при наднизьких температурах, і пригнічує вібрації, які можуть заважати руху через силу тяжіння.

Гравітація відрізняється від інших фундаментальних сил, оскільки вона описує викривлення простору-часу, а не пряму взаємодію між об’єктами. Ця відмінність частково пояснює, чому фізики-теоретики довго намагалися узгодити гравітацію (як описано в загальній теорії відносності Ейнштейна) з квантовою механікою. Одна з головних суперечок полягає в тому, що в той час як останній передбачає фіксований простір-час, перший стверджує, що він змінюється в присутності масивних об’єктів. Оскільки експерименти з визначення правильного опису надзвичайно важко виконати, теорія квантової гравітації залишається недосяжною, незважаючи на великі теоретичні зусилля в таких областях, як теорія струн і петлева квантова гравітація.

Вигнання з поля Мейснера

У новій роботі, про яку повідомляє в Досягнення науки, фізик Т'єрк Остеркамп of Лейденський університет в Нідерландах разом з колегами з Саутгемптонський університет, Великобританії та Італії Інститут фотоніки і нанотехнологій, досліджував межу між гравітацією та квантовою механікою, досліджуючи дію гравітації на магнітну частинку з масою лише 0.43 міліграма — поблизу межі, де починають проявлятися квантові ефекти. Щоб виконати своє дослідження, вони помістили частинку в магнітне поле, яке утворилося пропусканням струму через дроти, які стають надпровідними при температурах нижче 100 мілікельвінів. Отриманий «ландшафт» магнітного поля змушує частинку левітувати завдяки добре відомому ефекту надпровідності, відомому як витіснення поля Мейснера, коли поле, що виникає від струмів у надпровіднику, повністю протистоїть власному магнітному полю частинки.

Коли частинка почала левітувати, дослідники виміряли дуже невеликі зміни в магнітному полі, які виникають, коли вона рухається навколо свого центру мас. Вони зробили це за допомогою вбудованого магнітометра DC SQUID, постійно налаштовуючи частоту потенціалу магнітного захоплення. Це дозволило їм охарактеризувати амплітуду руху частинки як функцію цих зсувів частоти.

Придушення вібрацій

Потім дослідники створили гравітаційне збурення, обертаючи важке колесо біля холодильника або кріостата, в якому містився експеримент. Частота обертання колеса була налаштована на збудження однієї з частот коливань левітованої частинки. Але перш ніж вони змогли виміряти зміни в русі частинки внаслідок цього гравітаційного збурення, Оостеркамп і його колеги спочатку повинні були переконатися, що інші речі, які можуть змусити частинку рухатися, такі як вібрації, що надходять від компресора та насосів, відповідальних за охолодження надпровідника, були дуже добре придушений.

«Це виявилося найактуальнішим завданням у нашому експерименті, — пояснює Остеркамп, — але коли нам це вдалося, рух частинки, що залишилася, виявився настільки малим, що на нього заважала гравітація — і ми насправді міг це виміряти».

Натискання меж

Остеркамп і його колеги спочатку мали намір використовувати свій кріостат для охолодження і збудження механічного резонатора. «Ми робили це, щоб спробувати довести, що він може перебувати в двох місцях одночасно – приблизно так, як може бути електрон, коли він демонструє ефект інтерференції, проходячи через дві щілини», – пояснює Остеркамп. «З інтерференції можна зробити висновок, що електрон є хвилею і проходить через обидві щілини одночасно. Для нашого експерименту, який ще попереду, ми працювали над ізоляцією вібрацій, щоб охолодити датчик сили, щоб спостерігати той самий тип ефекту для крихітного механічного резонатора».

Ці початкові експерименти пройшли настільки добре, згадує він, що вони запитали себе: яку найменшу силу вони могли б прикласти до частинки в своїй установці, щоб продемонструвати чутливість експерименту? «Коли ми зрозуміли, що гравітаційні вимірювання доступні, ми були особливо мотивовані», — згадує Оостеркамп.

Експеримент повинен бути ще більш чутливим

Наступним кроком, каже Остеркамп, є зближення гравітаційних і квантових ефектів. «Можливість виміряти гравітаційну силу від частинки, яка знаходиться в двох місцях одночасно, була б дуже бажаною, але нам потрібно зробити наш експеримент ще більш чутливим, щоб зробити це, і проводити вимірювання на більш важких об’єктах, які демонструють квантові ефекти, такі як суперпозиція та заплутаність, наприклад, — каже він.

З цією метою дослідники працюють над тим, щоб замінити колесо поза межами кріостата на подібне колесо або пропелер всередині нього. «Замість колеса з кілограмовими блоками на ньому, розташованих на відстані 30 см від датчика, ми сподіваємося отримати міліграмові маси на пропелері, який знаходиться лише в сантиметрі», — говорить Остеркамп.

Команда також намагається ще більше ізолювати зовнішні вібрації у своєму експерименті та зробити свою систему холоднішою. «Ці заходи можуть підвищити чутливість вимірювань у 100 разів», — каже Остеркамп.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/