Квант срещу Нютон: MIT охлажда махало до 10 mK, за да провери дали гравитацията се подчинява на законите на микрокосмоса.

Нов експеримент обединява механиката на XVIII век и технологиите на XXI век.

Един от най-важните и все още отворени въпроси на съвременната физика е дали гравитацията може да се счита за квантово явление? За разлика от другите фундаментални взаимодействия – електромагнитно, слабо и силно – все още не разполагаме с пълна и последователна квантова теория на гравитацията. Причината е проста: тя е трудна за експериментална проверка. Както обяснява Донгшел Шин, дипломант от Масачузетския технологичен институт и стипендиант на MathWorks, това изисква създаването на механична система, която е едновременно достатъчно масивна, за да усеща гравитацията, и достатъчно „тиха“ – т.е. квантова – за да може да се улови как точно гравитацията взаимодейства с нея.

В неотдавнашна статия, публикувана в списание Optica, Шин и колегите му за първи път прилагат лазерно охлаждане към сантиметров торсионен осцилатор – класически инструмент за гравитационни експерименти, познат от експеримента на Кавендиш от 1798 г. Традиционно подобни осцилатори се използват за измерване на гравитационната константа, за проверка на закона за обратните квадрати и за търсене на нови гравитационни ефекти. Сега учените са успели да охладят системата от стайна температура до 10 миликелвина – сто пъти по-студено от течния хелий – и всичко това с помощта на светлината.

Самото лазерно охлаждане не е нещо ново. От 80-те години на миналия век то се използва успешно за охлаждане на атомни газове, а от 2010 г. – за наноразмерни линейни осцилатори. Но за първи път техниката е адаптирана за торсионни системи на макроскопично ниво. Този пробив стана възможен благодарение на метода на „оптичния лост“: лазерът се насочва към огледало и дори най-малкото завъртане на отразяващата повърхност води до забележимо преместване на лъча. Това дава възможност да се уловят дори съвсем миниатюрни вибрации с голяма точност.

Въпреки това, както подчертава Шин, в реалността лъчът може да се разклати поради въздушни турбуленции, вибрации и несъвършена оптика – и е лесно да се объркат тези смущения с реалните сигнали от осцилатора. За да елиминира този шум, екипът използва втора, симетрична лазерна система: единият лъч взаимодейства с устройството, а другият се отразява от специално огледало, което изравнява осцилациите на самия лъч. Чрез комбиниране на сигналите на детектора шумът се анулира взаимно, докато сигналът от осцилатора се запазва.

Тази технология дава възможност да се намали нивото на шума хиляда пъти и да се измери движението с чувствителност, почти десет пъти по-висока от собствените квантови колебания на осцилатора. Това ниво на прецизност позволи да се понижи температурата до граници, близки до абсолютната нула. Следващата цел на екипа е да достигне основното квантово състояние на осцилатора. За тази цел, казва Шин, те трябва допълнително да засилят взаимодействието между светлината и механиката – например чрез използване на оптичен капан или резонатор, който усилва ъгловите сигнали.

В бъдеще това ще направи възможно провеждането на експерименти, при които два такива осцилатора ще си взаимодействат само чрез гравитацията – без електромагнитен контакт. И тогава, най-накрая, ще бъде възможно директно да се провери дали гравитацията наистина се подчинява на квантовите закони.

Съавтори на изследването са и професорът от Масачузетския технологичен институт (MIT) Вивишек Судхир и дипломантът Дилън Файф от неговата лаборатория, както и учени от Университета в Юта. Както отбелязва Шин, работата по проекта е изисквала не само задълбочени познания по квантова механика и обща теория на относителността, но и практически умения, вариращи от нано-производство до прецизна оптика и системи за управление. Инженерното мислене, казва той, се е оказало важен мост между фундаменталната наука и практиката.