Fysikere bruger Einsteins uhyggelige sammenfiltring til at opfinde superfølsom gravitationsbølgedetektor

Den første direkte påvisning af gravitationsbølger, et fænomen forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori fra 1915, blev rapporteret af forskere i 2016.

Bevæbnet med denne "århundredets opdagelse", fysikere rundt om i verden har planlagt nye og bedre detektorer af gravitationsbølger.

Fysiker Professor Chunnong Zhao og hans seneste ph.d. -studerende Haixing Miao og Yiqiu Ma er medlemmer af et internationalt team, der har skabt et særligt spændende nyt design til gravitationsbølgedetektorer.

Det nye design er et reelt gennembrud, fordi det kan måle signaler under en grænse, der tidligere blev antaget at være en uoverstigelig barriere. Fysikere kalder denne grænse for standardkvantegrænsen. Det er fastsat af kvanteusikkerhedsprincippet.

Det nye design, udgivet i Natur bladet i denne uge, viser, at dette måske ikke længere er en barriere.

Ved hjælp af denne og andre nye tilgange kan forskere overvåge kollisioner med sorte huller og "rumskælv" i hele det synlige univers.

Hvordan gravitationsbølgedetektorer fungerer

Gravitationsbølger er ikke vibrationer, der bevæger sig gennem rummet, men derimod vibrationer i selve rummet. De har allerede fortalt os om en uventet stor bestand af sorte huller. Vi håber, at yderligere undersøgelse af gravitationsbølger vil hjælpe os til bedre at forstå vores univers.

Men gravitationsbølgedetektorernes teknologier har sandsynligvis enorm betydning ud over dette aspekt af videnskaben, fordi de i sig selv lærer os at måle utroligt små mængder energi.

Gravitationsbølgedetektorer bruger laserlys til at opfange små vibrationer i rummet skabt, når sorte huller kolliderer. Kollisionerne skaber store gravitationseksplosioner. De er de største eksplosioner man kender i universet, konvertere masse direkte til vibrationer i rent rum.

Det kræver enorme mængder energi at få rummet til at bøje og krusning. Vores detektorer - udsøgt perfekte enheder, der bruger store tunge spejle med skræmmende kraftige lasere - skal måle rummet, der strækker sig med blot en milliarddel af en milliardtedel af meter over vores detektors skala på fire kilometer. Disse målinger repræsenterer allerede den mindste mængde energi, der nogensinde er målt.

Men for gravitationsbølge -astronomer er dette ikke godt nok. De har brug for endnu mere følsomhed for at kunne høre mange flere forudsagte gravitationelle "lyde", herunder lyden af ​​det øjeblik, universet blev skabt i big bang.

Det er her det nye design kommer ind.

En uhyggelig idé fra Einstein

Det nye koncept er baseret på originalværk fra Albert Einstein.

I 1935 forsøgte Albert Einstein og kolleger Boris Podolsky og Nathan Rosen at afsætte teorien om kvantemekanik ved at vise, at den forudsagde absurde korrelationer mellem partikler med stor afstand.

Einstein beviste, at hvis kvanteteorien var korrekt, så kunne par med vidt forskellige objekter blive viklet ind som to fluer, der var viklet ind i et edderkoppespind. Underligt, forviklingen blev ikke mindre, uanset hvor langt fra hinanden du tillod objekterne at bevæge sig.

Einstein kaldte forvikling "uhyggelig handling på afstand". Han var sikker på, at hans opdagelse ville gøre op med kvantemekanikkens teori en gang for alle, men dette skulle ikke være.

Siden 1980'erne har fysikere gang på gang vist, at kvanteindvikling er reel. Uanset hvor meget han hadede det, Einsteins forudsigelse var rigtig og til hans ærgrelse, kvanteteorien var korrekt. Ting på afstand kunne blive viklet ind.

I dag har fysikere vænnet sig til "uhyggen", og teorien om sammenfiltring er blevet udnyttet til afsendelse af hemmelige koder, der ikke kan opfanges.

Jorden rundt, organisationer som Google og IBM og akademiske laboratorier forsøger at oprette kvantecomputere, der er afhængige af sammenfiltring.

Og nu ønsker Zhao og kolleger at bruge begrebet sammenfiltring til at skabe den nye gravitationsbølgedetektors design.

En ny måde at måle gravitationsbølger på

Det spændende aspekt ved det nye detektordesign er, at det faktisk bare er en ny måde at betjene eksisterende detektorer på. Det bruger simpelthen detektoren to gange.

En gang, fotoner i detektoren ændres af gravitationsbølgen for at opfange bølgerne. Anden gang, detektoren bruges til at ændre kvanteindviklingen på en sådan måde, at støj på grund af kvanteusikkerhed ikke opdages.

Det eneste, der opdages, er bevægelsen af ​​de fjerne spejle forårsaget af gravitationsbølgen. Kvantestøjen fra usikkerhedsprincippet fremgår ikke af målingen.

For at få det til at fungere, du skal starte med sammenfiltrede fotoner, der er skabt af en enhed, der kaldes en kvantepresser. Denne teknologi var banebrydende for gravitationsbølge -astronomi ved Australian National University, og er nu en etableret teknik.

Ligesom mange af de bedste ideer, den nye idé er meget simpel, men en, der tog enorm indsigt at genkende. Du injicerer en lille mængde presset lys fra en kvantepresser, og brug den to gange!

Rundt om i verden gør fysikere sig klar til at teste den nye teori og finde den bedste måde at implementere den på i deres detektorer. En af disse er GEO gravitationsbølgedetektoren i Hannover i Tyskland, som har været en test seng for mange af de nye teknologier, der tillod sidste års betydningsfulde opdagelse af gravitationsbølger.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.