Laserkølede torsionsoscillatorer:En ny vej mod at teste kvantetyngdekraften

Kiryl Pro Motion/Getty Images

På de mindste skalaer trodser den fysiske virkelighed hverdagens intuition. Kvantemekanik er vores mest pålidelige ramme til at forklare, hvordan atomer og subatomære partikler opfører sig. Når det kombineres med feltteori, tegner det et billede, hvor enorme, altid tilstedeværende felter - ligesom elektriske og magnetiske felter - giver anledning til de partikler, der udgør stof. På dette billede beskriver standardmodellen 12 stoffelter og fire kraftfelter, hvor sidstnævnte repræsenterer elektromagnetiske, svage, stærke og gravitationsinteraktioner. Mens de første tre kræfter er integreret i modellen, forbliver tyngdekraften en outlier.

Einsteins gennembrud kom med den generelle relativitetsteori, som identificerede tyngdekraften ikke som en kraft, men som selve rumtidens krumning. At forene denne geometriske opfattelse med kvanteteoriens sandsynlighed har været en langvarig udfordring. Indtil videre er en komplet kvanteteori om tyngdekraft stadig uhåndgribelig, men eksperimentelle fremskridt accelererer.

Kombinering af to banebrydende teknikker til at måle små bevægelser

rangizzz/Shutterstock

Generel relativitetsteori nedbryder nær ekstreme massekoncentrationer, såsom sorte huller, hvilket tyder på, at en dybere teori er påkrævet - en, der forener kvantemekanik med tyngdekraften. MIT-forskere er banebrydende i eksperimentelle test, der kan undersøge kvanteaspekterne af tyngdekraften, og lasere spiller en central rolle i deres tilgang.

Holdets første papir, "Aktiv laserkøling af en torsionsoscillator i centimeter-skala," blev offentliggjort i Optica. Den rapporterer den vellykkede laserafkøling af en centimeterlang torsionsoscillator - en enhed, der traditionelt bruges til præcise tyngdekraftsmålinger - ned fra stuetemperatur til 10mK (en tusindedel af en kelvin). Denne afkøling gør oscillatoren kvantevenlig, samtidig med at dens makroskopiske størrelse bevares, hvilket gør den til en ideel prøveplads til at studere tyngdekraftens interaktion med kvantesystemer.

Det, der adskiller dette arbejde, er sammensmeltningen af to forskellige laserbaserede metoder. Laserkøling af atomare gasser har længe været etableret, men at anvende det samme princip på en mekanisk oscillator af denne størrelse er uden fortilfælde. Dette gennembrud åbner døren til eksperimenter, der direkte kunne observere tyngdekraftens kvantesignatur.

Spejlede optiske håndtag:skærper følsomhed over for små hældninger

Sakkamesterke/Getty Images

I eksperimentet brugte forskerne en spejlvendt optisk håndtag. Konventionelle optiske håndtagsteknikker belyser et spejl med en laser og registrerer små vinkelændringer via den reflekterede stråle. Miljøforstyrrelser – luftstrømme, mekaniske vibrationer eller optiske ufuldkommenheder – udgiver sig dog ofte som falsk bevægelse.

Ved at anvende et spejlet optisk niveau - i det væsentlige en mod-udbredende stråle, der spejler originalen - annulleres støj fra disse forstyrrelser effektivt. Når de to stråler konvergerer ved detektoren, undertrykkes jitteren fra eksterne faktorer, hvilket efterlader et rent signal fra oscillatoren selv. Denne dobbeltstrålekonfiguration reducerede støjen med en faktor tusinde, hvilket muliggør registrering af bevægelse med hidtil uset præcision.

På dette stadium kan holdet måle svingninger med følsomhed ti gange finere end kvante-nulpunktsudsvingene for enheden. Selvom dette er en bemærkelsesværdig præstation, er der behov for yderligere forfining for at teste tyngdekraftens kvantenatur direkte. Det næste trin involverer at forbedre den optiske interaktion, så to torsionsoscillatorer udelukkende kan interagere gennem deres gensidige gravitationsattraktion – en opsætning, der endelig kunne afsløre, om tyngdekraften opfører sig kvantemekanisk.

Efterhånden som forskningen skrider frem, er MIT-forskere klar til at skubbe grænserne for præcisionsmåling, hvilket potentielt giver det første eksperimentelle bevis på, at tyngdekraften faktisk er en kvantekraft.