Mini-detektorer til de gigantiske? Bose-Einstein-kondensater er i øjeblikket ikke i stand til at detektere gravitationsbølger

Gravitationsbølgerne skabt af sorte huller eller neutronstjerner i rummets dybder har vist sig at nå Jorden. Deres virkninger, imidlertid, er så små, at de kun kan observeres ved hjælp af kilometerlange måleanlæg. Fysikere diskuterer derfor, om ultrakolde og miniscule Bose-Einstein-kondensater med deres ordnede kvanteegenskaber også kunne detektere disse bølger. Prof. Ralf Schützhold fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og TU Dresden har studeret grundlaget for disse forslag og skriver i tidsskriftet Fysisk gennemgang D at sådanne beviser er langt uden for rækkevidde af nuværende metoder.

Allerede i 1916 Albert Einstein indsendte en artikel til det preussiske videnskabsakademi, hvori han demonstrerede, at bevægelige masser, såsom kæmpestjerner, der kredser om hinanden, efterlader en bule i rum og tid, som spreder sig med lysets hastighed. Disse buler er kendt som gravitationsbølger, og bør bevæge sig præcis som radiobølger, lys og andre elektromagnetiske bølger. Virkningerne af gravitationsbølger, imidlertid, er normalt så svage, at Einstein var overbevist om, at de aldrig kunne måles.

Grunden til denne skepsis er, at gravitationsbølger er svage. For eksempel, selv Jordens ret store masse, som kredser omkring solen med næsten 30 kilometer i sekundet, producerer gravitationsbølger med en effekt på kun tre hundrede watt. Det ville ikke engang være nok til at drive en kommerciel støvsuger med et Energy Star-mærke. Påvirkningen af ​​disse gravitationsbølger er derfor umærkelig.

Når sorte huller smelter sammen

Situationen forbedres, når der er tale om betydeligt større masser. Da to enorme sorte huller smeltede sammen i en afstand af 1,3 milliarder lysår fra Jorden, hvoraf den ene havde en masse på cirka 36 sole og den anden en masse på 29 sole, rum og tid rystede. Under denne fusion, en masse, der målte tre gange vores sols, blev omdannet til en gigantisk gravitationsbølge, hvis rester nåede Jorden 1,3 milliarder år senere den 14. september, 2015, kl. 11:51 centraleuropæisk tid. Fordi bølgerne breder sig i alle retninger over så enorme afstande og spreder sig til et ufatteligt stort rum, deres magt var enormt formindsket.

På jorden, kun et ekstremt svagt signal blev modtaget, som blev registreret ved hjælp af to fire kilometer lange vinkelrette vakuumrør i USA. To specielle laserstråler skyder frem og tilbage mellem endepunkterne på disse faciliteter. Fra den tid, det tager for den ene lysstråle at nå den anden ende, forskerne kan meget præcist beregne afstanden mellem de to punkter. "Da gravitationsbølgerne nåede Jorden, de forkortede en af ​​de to måleafstande med en lille brøkdel af en trilliontedel af en millimeter på begge faciliteter, mens den anden vinkelrette strækning blev forlænget med en tilsvarende mængde, " siger HZDR-forsker Ralf Schützhold, skitsere sine kollegers resultater. Derfor, den 11. februar, 2016, efter en detaljeret analyse af dataene, forskerne rapporterede om den første direkte påvisning af gravitationsbølgerne forudsagt af Albert Einstein. Tre af de medvirkende forskere blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2017.

Atomer i synkronisering

Astrofysikere kan nu bruge disse bølger til at observere massive begivenheder i rummet, såsom sorte huls fusioner eller supernovaer. Fysikere spørger nu, om det er muligt at bygge faciliteter, der er nemmere at have med at gøre end de fire kilometer lange vinkelrette vakuumrør. Nogle foreslår at bruge Bose-Einstein-kondensater, en form for stof, som Satyendranath Bose og Albert Einstein forudsagde tilbage i 1924. "Sådanne kondensater kan opfattes som stærkt fortyndet damp fra individuelle atomer, der er afkølet til det yderste og derfor kondenserer, " forklarer Schützhold. Forskere i USA skabte et Bose-Einstein-kondensat i 1995.

Ved ekstremt lave temperaturer, kun meget lidt over det absolutte nulpunkt på minus 273,15 grader Celsius, de fleste atomer af metaller såsom rubidium eksisterer i samme kvantetilstand, danner en kaotisk hodgepodge som damp ved højere temperaturer. "I lighed med laserlyspartikler, atomerne i disse Bose-Einstein kondensater bevæger sig, så at sige, i synkronisering, " siger Schützhold. Gravitationsbølger, imidlertid, kan ændre lydpartikler eller lydkvanter, som fysikere kalder fononer, inden for synkroniserede atomkondensater. "Dette ligner lidt et stort kar med vand, hvor bølger genereret af et jordskælv ændrer de eksisterende vandbølger, siger Ralf Schützhold, beskriver processen.

Lidt bevis er for lidt

Imidlertid, da lederen af ​​HZDR's afdeling for teoretisk fysik kiggede nærmere på det grundlæggende i dette fænomen, han konstaterede, at sådanne Bose-Einstein-kondensater skulle være adskillige størrelsesordener større, end det er muligt for øjeblikket, for at detektere gravitationsbølger, der stammer fra sammensmeltede sorte huller. "I dag, Bose-Einstein kondenserer med, for eksempel, 1 million rubidium atomer opnås med stor indsats, men det ville tage langt mere end en million gange så mange atomer at opdage gravitationsbølger, " siger Schützhold. Men der dannes en slags hvirvel i et Bose-Einstein-kondensat, hvor gravitationsbølger direkte genererer fononer, der er lettere at observere. "Men selv med sådanne inhomogene Bose-Einstein-kondensater, vi er stadig i størrelsesordener fra at detektere gravitationsbølger, siger fysikeren.

HZDR-forskeren giver dog et hint om mulige beviser:Hvis ædelgassen helium køles ned til mindre end to grader over det absolutte nulpunkt, der dannes en superflydende væske, som ikke er et rent Bose-Einstein-kondensat, men indeholder lige under 10 procent af sådanne synkroniserede heliumatomer. Fordi meget større mængder af dette superflydende helium kan produceres, mange størrelsesordener flere Bose-Einstein kondensatatomer kan skabes på denne måde end ved direkte produktion. "Om superfluid helium virkelig er en måde at detektere gravitationsbølger på, kan kun vises med ekstremt komplekse beregninger, " siger Schützhold. Minidetektorerne for gravitationsbølger ligger derfor stadig et stykke tid ude i fremtiden.