Eksperiment for at teste kvantetyngdekraften blev bare en smule mindre kompliceret

Er tyngdekraften et kvantefænomen? Det har været et af de store udestående spørgsmål inden for fysik i årtier. Sammen med kolleger fra Storbritannien, Anupam Mazumdar, en fysiker fra University of Groningen, foreslået et eksperiment, der kunne løse problemet. Imidlertid, det kræver at studere to meget store sammenfiltrede kvantesystemer i frit fald. I et nyt blad, som har en tredjeårs bachelorstuderende som første forfatter, Mazumdar præsenterer en måde at reducere baggrundsstøj for at gøre dette eksperiment mere overskueligt.

Tre af de fire grundlæggende kræfter i fysikken kan beskrives ud fra kvanteteori. Dette er ikke tilfældet for den fjerde kraft (tyngdekraften), som er beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori. Eksperimentet, som Mazumdar og hans kolleger tidligere designede, kunne bevise eller modbevise tyngdekraftens kvantenatur.

Superposition

En velkendt konsekvens af kvanteteorien er det fænomen, der kaldes kvantesuperposition:i visse situationer, kvantetilstande kan have to forskellige værdier på samme tid. Tag en elektron, der er bestrålet med laserlys. Kvanteteorien siger, at den enten kan absorbere eller ikke absorbere fotonenergien fra lyset. Absorbering af energien ville ændre elektronens spin, et magnetisk moment, der kan være enten op eller ned. Resultatet af kvantesuperposition er, at spinet er både op og ned.

Disse kvanteeffekter finder sted i små genstande, såsom elektroner. Ved at målrette en elektron i en specielt konstrueret miniature diamant, det er muligt at skabe superposition i et meget større objekt. Diamanten er lille nok til at opretholde denne superposition, men også stor nok til at mærke tyngdekraften. Denne egenskab er, hvad eksperimentet udnytter:at placere to af disse diamanter ved siden af ​​hinanden i frit fald og, derfor, ophævelse af ekstern tyngdekraft. Det betyder, at de kun interagerer gennem tyngdekraften mellem dem.

Udfordrende

Og det er her et andet kvantefænomen kommer ind. Kvantesammenfiltring betyder, at når to eller flere partikler genereres i umiddelbar nærhed, deres kvantetilstande er forbundet. I tilfældet med diamanter, hvis man spinner op, den anden, indviklet diamant skal spindes ned. Så, eksperimentet er designet til at bestemme, om kvantesammenfiltring forekommer i parret under frit fald, når tyngdekraften mellem diamanterne er den eneste måde, de interagerer på.

"Imidlertid, dette eksperiment er meget udfordrende, " forklarer Mazumdar. Når to objekter er meget tæt på hinanden, en anden mulig mekanisme for interaktion er til stede, Casimir -effekten. I et vakuum, to objekter kan tiltrække hinanden gennem denne effekt. "Størrelsen af ​​effekten er relativt stor, og for at overvinde den støj, den skaber, vi skulle bruge relativt store diamanter." Det var fra starten klart, at denne støj skulle reduceres for at gøre forsøget mere overskueligt. Derfor Mazumdar ville vide, om afskærmning for Casimir-effekten var mulig.

Nedlukning

Han overlod problemet til Thomas van de Kamp, en tredjeårs bachelorstuderende i fysik. "Han kom til mig, fordi han var interesseret i kvantegravitation og ville lave et forskningsprojekt for sin bacheloropgave, " siger Mazumdar. Under forårets lockdown, når de fleste normale klasser blev suspenderet, Van de Kamp begyndte at arbejde på problemet. "Inden for en bemærkelsesværdig kort tid, han præsenterede sin løsning, som er beskrevet i vores papir."

Denne løsning er baseret på at placere en ledende plade af kobber, omkring en millimeter tyk, mellem de to diamanter. Pladen beskytter Casimir -potentialet mellem dem. Uden tallerkenen, dette potentiale ville trække diamanterne tættere på hinanden. Men med tallerkenen, diamanterne er ikke længere tiltrukket af hinanden, men til tallerkenen imellem dem. Mazumdar:"Dette fjerner interaktionen mellem diamanterne gennem Casimir-effekten, og fjerner derfor meget støj fra eksperimentet."

Bemærkelsesværdig

Beregningerne udført af Van de Kamp viser, at masserne af de to diamanter kan reduceres med to størrelsesordener. "Det kan virke som et lille skridt, men det gør eksperimentet mindre krævende." Desuden, andre parametre, såsom niveauet af vakuum, der er nødvendigt under eksperimentet, bliver også mindre krævende på grund af afskærmningen af ​​Casimir-effekten. Mazumdar siger, at en yderligere opdatering af eksperimentet, som også inkluderer et bidrag fra bachelorstuderende Thomas van de Kamp, vil sandsynligvis dukke op i den nærmeste fremtid. "Så, hans seks måneder lange projekt har bragt ham medforfatterskab på to papirer, en ganske bemærkelsesværdig bedrift."