Je li gravitacija kvantna?

Jedno od najdubljih otvorenih pitanja u modernoj fizici je: "Je li gravitacija kvantna?"  Ostale temeljne sile, elektromagnetska, slaba i jaka, uspješno su opisane, ali još uvijek ne postoji potpuna i konzistentna kvantna teorija gravitacije. 

„Teorijski fizičari predložili su mnoge moguće scenarije, od gravitacije koja je inherentno klasična do potpuno kvantne, ali rasprava ostaje neriješena jer nikada nismo imali jasan način testiranja kvantne prirode gravitacije u laboratoriju“, kaže Dongchel Shin, doktorand na MIT-ovom odjelu za strojarstvo (MechE). „Ključ za odgovor na ovo leži u pripremi mehaničkih sustava koji su dovoljno masivni da osjete gravitaciju, a opet dovoljno tihi - dovoljno kvantni, da otkriju kako gravitacija s njima međudjeluje.“

Shin, koji je ujedno i MathWorksov stipendist, istražuje platforme za kvantnu i preciznu metrologiju koje ispituju fundamentalnu fiziku i dizajnirane su kako bi utrle put budućoj industrijskoj tehnologiji. On je glavni autor novog rada koji demonstrira lasersko hlađenje torzijskog oscilatora duljine centimetar. Rad otvorenog pristupa pod nazivom „Aktivno lasersko hlađenje torzijskog oscilatora centimetarske skale “ nedavno je objavljen u časopisu Optica.

Laseri se rutinski koriste za hlađenje atomskih plinova od 1980-ih, a od otprilike 2010. koriste se u linearnom gibanju nanoskalnih mehaničkih oscilatora. Novi rad predstavlja prvi put da je ova tehnika proširena na torzijske oscilatore, koji su ključni za svjetske napore u proučavanju gravitacije pomoću ovih sustava.

„Torzijska njihala klasični su alati za istraživanje gravitacije još od poznatog eksperimenta [Henryja] Cavendisha 1798. Korištena su za mjerenje Newtonove gravitacijske konstante, testiranje zakona inverznog kvadrata i traženje novih gravitacijskih fenomena“, objašnjava Shin.

Korištenjem lasera za uklanjanje gotovo svih toplinskih gibanja iz atoma, znanstvenici su posljednjih desetljeća stvorili ultrahladne atomske plinove na temperaturama u mikro i nanokelvinima. Ti sustavi sada pokreću najpreciznije satove na svijetu, optičke rešetkaste satove, s preciznošću mjerenja vremena toliko visokom da bi tijekom starosti svemira napredovali ili gubili manje od sekunde.

„Povijesno gledano, ove dvije tehnologije razvijale su se odvojeno - jedna u gravitacijskoj fizici, a druga u atomskoj i optičkoj fizici“, kaže Shin. „U našem radu ih spajamo. Primjenom tehnika laserskog hlađenja izvorno razvijenih za atome na torzijski oscilator centimetarske skale, pokušavamo premostiti klasični i kvantni svijet. Ova hibridna platforma omogućuje novu klasu eksperimenata, one koji bi nam konačno mogli omogućiti da testiramo treba li gravitaciju opisati kvantnom teorijom.“

Novi rad demonstrira lasersko hlađenje torzijskog oscilatora centimetarske skale sa sobne temperature na temperaturu od 10 milikelvina (1/1000 kelvina) pomoću zrcalne optičke poluge.

„Optička poluga je jednostavna, ali moćna tehnika mjerenja: Usmjerite laser na zrcalo i čak i mali nagib zrcala uzrokuje da se reflektirana zraka znatno pomakne na detektoru. To uvećava male kutne pokrete u lako mjerljive signale“, objašnjava Shin, napominjući da se tim, iako je premisa jednostavna, u praksi suočio s izazovima. „Sama laserska zraka može lagano podrhtavati zbog strujanja zraka, vibracija ili nesavršenosti u optici. Ta podrhtavanja mogu se lažno pojaviti kao kretanje zrcala, što ograničava našu sposobnost mjerenja stvarnih fizičkih signala.“

Kako bi to prevladali, tim je koristio pristup zrcalne optičke poluge, koji koristi drugu, zrcalnu verziju laserske zrake za poništavanje neželjenog podrhtavanja.

„Jedna zraka međudjeluje s torzijskim oscilatorom, dok se druga reflektira od kutnog zrcala, poništavajući bilo kakvo podrhtavanje bez hvatanja gibanja oscilatora“, kaže Shin. „Kada se dvije zrake kombiniraju na detektoru, stvarni signal oscilatora se čuva, a lažno gibanje od laserskog podrhtavanja se poništava.“

Ovaj pristup smanjio je šum za faktor tisuću, što je istraživačima omogućilo da detektiraju kretanje s izuzetnom preciznošću, gotovo 10 puta boljom od vlastitih kvantnih fluktuacija nulte točke oscilatora. „Ta razina osjetljivosti omogućila nam je da sustav ohladimo na samo 10 milikelvina pomoću laserske svjetlosti“, kaže Shin.

Shin kaže da je ovaj rad tek početak. „Iako smo postigli kvantno ograničenu preciznost ispod nulte točke kretanja oscilatora, postizanje stvarnog kvantnog osnovnog stanja ostaje naš sljedeći cilj“, kaže. „Da bismo to postigli, morat ćemo dodatno ojačati optičku interakciju, korištenjem optičke šupljine koja pojačava kutne signale ili strategija optičkog hvatanja. Ova poboljšanja mogla bi otvoriti vrata eksperimentima u kojima dva takva oscilatora međusobno djeluju samo putem gravitacije, što bi nam omogućilo da izravno testiramo je li gravitacija kvantna ili ne.“

Shin kaže da je jedna stvar koju je shvatio kroz ovaj rad širina izazova s ​​kojim se tim suočava. „Eksperimentalno proučavanje kvantnih aspekata gravitacije ne zahtijeva samo duboko razumijevanje fizike, relativnosti, kvantne mehanike, već zahtijeva i praktično znanje u dizajnu sustava, nanofabrikaciji, optici, upravljanju i elektronici“, kaže.

„Posjedovanje znanja iz strojarstva, koje obuhvaća i teorijske i praktične aspekte fizičkih sustava, dalo mi je pravu perspektivu za snalaženje i smislen doprinos u ovim različitim područjima“, kaže Shin. „Bilo je nevjerojatno korisno vidjeti kako ova široka obuka može pomoći u rješavanju jednog od najosnovnijih pitanja u znanosti.“