Je gravitace kvantová?
Sdílet na sociálních sítích:
Vědci z MIT vyvinuli novou techniku, která by mohla pomoci zodpovědět otázku po kvantové povaze gravitace.

Jednou z nejzávažnějších otevřených otázek moderní fyziky je: „Je gravitace kvantová?“
Ostatní fundamentální síly – elektromagnetická, slabá a silná – byly úspěšně popsány, ale dosud neexistuje úplná a konzistentní kvantová teorie gravitace.
„Teoretičtí fyzikové navrhli mnoho možných scénářů, od gravitace jako inherentně klasické až po plně kvantovou, ale debata zůstává nevyřešená, protože jsme nikdy neměli jasný způsob, jak otestovat kvantovou povahu gravitace v laboratoři,“ říká Dongchel Shin, doktorand na MIT fakultě strojního inženýrství (MechE). „Klíčem k zodpovězení této otázky je příprava mechanických systémů, které jsou dostatečně hmotné na to, aby vnímali gravitaci, ale zároveň dostatečně klidné – kvantové – aby odhalily, jak s nimi gravitace interaguje.“
Shin, který je také MathWorks Fellow, zkoumá kvantové a přesné metrologické platformy, které zkoumají fundamentální fyziku a jsou navrženy tak, aby připravily cestu pro budoucí průmyslové technologie. Je hlavním autorem nové studie, která demonstruje laserové chlazení centimetrového torzního oscilátoru. Studie s otevřeným přístupem, „Aktivní laserové chlazení centimetrového torzního oscilátoru“, byla nedávno publikována v časopise Optica.
Lasery se běžně používají k ochlazování atomových plynů od 80. let 20. století a od roku 2010 se používají v lineárním pohybu nanoskopických mechanických oscilátorů. Nová studie ukazuje první případ, kdy byla tato technika rozšířena na torzní oscilátory, které jsou klíčové pro celosvětové úsilí o studium gravitace pomocí těchto systémů.
„Torzní kyvadla jsou klasickými nástroji pro výzkum gravitace od slavného experimentu Henryho Cavendisha v roce 1798. Byla používána k měření Newtonovy gravitační konstanty G, k testování zákona inverzního čtverce a k hledání nových gravitačních jevů,“ vysvětluje Shin.
Používáním laserů k odstranění téměř všech tepelných pohybů atomů vědci v posledních desetiletích vytvořili ultrachladné atomové plyny při mikro- a nanokelvinových teplotách. Tyto systémy nyní pohánějí světové nejpreciznější hodiny – optické mřížkové hodiny – s přesností měření času tak vysokou, že by ztratily nebo získaly méně než sekundu za dobu existence vesmíru.
„Historicky se tyto dvě technologie vyvíjely odděleně – jedna v gravitační fyzice, druhá v atomové a optické fyzice,“ říká Shin. „V naší práci je spojujeme. Aplikováním technik laserového chlazení původně vyvinutých pro atomy na centimetrový torzní oscilátor se snažíme propojit klasický a kvantový svět. Tato hybridní platforma umožňuje novou třídu experimentů – takové, které by nám konečně mohly umožnit otestovat, zda gravitace musí být popsána kvantovou teorií.“
Nová studie demonstruje laserové chlazení centimetrového torzního oscilátoru z pokojové teploty na teplotu 10 milikelvinů (1/1000 kelvinu) pomocí zrcadlového optického ramene.
„Optické rameno je jednoduchá, ale účinná měřicí technika: Světlíte laserem na zrcadlo a i nepatrný sklon zrcadla způsobí, že se odražený paprsek na detektoru znatelně posune. To zvětšuje malé úhlové pohyby na snadno měřitelné signály,“ vysvětluje Shin a poznamenává, že ačkoli princip je jednoduchý, tým čelil v praxi výzvám. „Samotný laserový paprsek se může mírně chvět v důsledku vzdušných proudů, vibrací nebo nedokonalostí optiky. Toto chvění se může falešně jevit jako pohyb zrcadla, čímž se omezuje naše schopnost měřit skutečné fyzikální signály.“
Aby tento problém překonali, tým použil přístup se zrcadlovým optickým ramenem, který využívá zrcadlovou verzi laserového paprsku k odstranění nežádoucího chvění.
„Jeden paprsek interaguje s torzním oscilátorem, zatímco druhý se odráží od rohového zrcadla, čímž se obrací jakékoli chvění bez zachycení pohybu oscilátoru,“ říká Shin. „Když se oba paprsky spojí na detektoru, zachová se skutečný signál z oscilátoru a falešný pohyb z chvění laseru se odstraní.“
Tento přístup snížil šum o faktor tisíc, což vědcům umožnilo detekovat pohyb s extrémní přesností, téměř 10krát lepší než kvantové fluktuace nulového bodu oscilátoru. „Tato úroveň citlivosti nám umožnila ochladit systém na pouhých 10 milikelvinů pomocí laserového světla,“ říká Shin.
Shin říká, že tato práce je teprve začátkem. „Ačkoli jsme dosáhli kvantově omezené přesnosti pod pohybem nulového bodu oscilátoru, dosažení skutečného kvantového základního stavu zůstává naším dalším cílem,“ říká. „K tomu budeme muset dále posílit optickou interakci – pomocí optické dutiny, která zesiluje úhlové signály, nebo optických strategií zachycování. Tato vylepšení by mohla otevřít dveře experimentům, kde by dva takové oscilátory interagují pouze prostřednictvím gravitace, což nám umožní přímo otestovat, zda je gravitace kvantová nebo ne.“
Mezi další autory studie z katedry strojního inženýrství patří Vivishek Sudhir, asistent profesora strojního inženýrství a profesor Class of 1957 Career Development Professor, a doktorand Dylan Fife. Dalšími autory jsou Tina Heyward a Rajesh Menon z katedry elektrotechniky a počítačového inženýrství na univerzitě v Utahu. Shin a Fife jsou oba členy Sudhirovy laboratoře, Skupiny pro kvantová a přesná měření.
Shin říká, že jednou z věcí, které si v průběhu této práce uvědomil, je šířka výzvy, které se tým věnuje. „Experimentální studium kvantových aspektů gravitace nejen vyžaduje hluboké porozumění fyzice – relativita, kvantová mechanika – ale také vyžaduje praktické zkušenosti s návrhem systémů, nanofabrikací, optikou, řízením a elektronikou,“ říká.
„Pozadí ve strojním inženýrství, které zahrnuje jak teoretické, tak praktické aspekty fyzikálních systémů, mi dalo správný náhled na navigaci a smysluplný přínos napříč těmito různými oblastmi,“ říká Shin. „Bylo nesmírně obohacující vidět, jak toto široké školení může pomoci řešit jednu z nejzákladnějších otázek ve vědě.“
Související články
Fyzikové z MIT objevili nový typ supravodiče, který je zároveň magnetem
Studenti MIT vyvracejí mýtus o pevnosti vajec: na boku jsou silnější
Fyzici z MIT pořídili první snímky volně interagujících atomů
Sdílet na sociálních sítích:
Komentáře