Физики охладили объект до той температуры, когда молекулы перестают двигаться

Гравитационно-волновая обсерватория LIGO (США) настолько чувствительна к вибрациям, что может обнаружить крошечную рябь в пространстве-времени, которую именуют гравитационными волнами. Эти волны появляются из-за столкновений черных дыр и других звездных катаклизмов в далеких галактиках, и они вызывают движения в обсерватории, намного меньшие, чем протон. Более подробно о новом исследовании ученых, важном для науки физики, - ниже.

Постулаты квантовой механики

Ученые использовали чувствительность LIGO, чтобы эффективно охладить 10-килограммовую массу до уровня менее одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля. Температура - это мера того, насколько и с какой скоростью движутся окружающие нас атомы и молекулы (и из которых мы состоим). Когда объекты остывают, их молекулы меньше двигаются.

Абсолютный ноль - это точка, в которой атомы и молекулы останавливаются. Однако квантовая механика утверждает, что полное отсутствие движения на самом деле невозможно (из-за принципа неопределенности). Вместо этого в квантовой механике температура абсолютного нуля соответствует основному состоянию движения, которое представляет собой теоретическое минимальное количество движения, которое может иметь объект. Масса в 10 кг в новом эксперименте примерно в 10 трлн раз тяжелее предыдущей самой тяжелой массы, охлажденной до такой температуры, и она была охлаждена почти до своего основного двигательного состояния.

Важный шаг

Работа, опубликованная в журнале Science, является важным шагом в продолжающемся поиске понимания разрыва между квантовой механикой - странной наукой, которая управляет Вселенной в очень малых масштабах, - и макроскопическим миром, который мы видим вокруг нас.

Уже разрабатываются планы по улучшению эксперимента в более чувствительных гравитационно-волновых обсерваториях будущего. Результаты могут пролить свет на несоответствие между квантовой механикой и общей теорией относительности, которая описывает гравитацию и поведение Вселенной в очень больших масштабах.

Технологии LIGO

LIGO обнаруживает гравитационные волны с помощью лазеров, которые направляются в длинные туннели и отражаются между двумя парами 40-килограммовых зеркал, а затем объединяются для создания интерференционной картины. Небольшие изменения расстояния между зеркалами проявляются как флуктуации интенсивности лазера.

Движение 4 зеркал контролируется очень точно, чтобы изолировать их от любых окружающих вибраций и даже для компенсации удара лазерного света, отражающегося от них. Эта часть может быть трудной для понимания, но с точки зрения математики можно сказать, что различия в движении четырех 40-килограммовых зеркал эквивалентны движению одного 10-килограммового зеркала. Это означает, что картина изменения интенсивности лазерного излучения, которую ученые наблюдали в этом эксперименте, такая же, как то, что отслеживается с помощью одного 10-килограммового зеркала.

Хотя температура 10-килограммового зеркала определяется движением атомов и молекул, составляющих его, эксперты не замеряли движение отдельных молекул. Вместо этого они измеряли среднее движение всех атомов (или движение центра масс).

Система сжатого света

Вклад ученых в Advanced LIGO как членов австралийского центра гравитационных волн OzGrav заключался в разработке, установке и испытании системы квантового сжатого света в детекторе. Эта система создает и вводит в детектор специально разработанное квантовое поле, делая его более восприимчивым к движению зеркал и, следовательно, более чувствительным к гравитационным волнам.

В системе сжатого света используется кристалл особого вида для создания пар сильно коррелированных, или «запутанных», фотонов, что снижает в ней уровень шума.

Причина странных явлений из квантовой механики

В очень малых масштабах квантовая механика допускает множество странных явлений, например объекты, являющиеся сразу волнами и частицами, или кажущиеся существующими в двух местах одновременно. Однако, хотя макроскопический мир, который мы видим, построен из крошечных объектов, которые должны подчиняться квантовым явлениям, мы не видим эти квантовые эффекты в более крупных масштабах.

Одна из теорий о том, почему это происходит, - это идея декогеренции. Это говорит о том, что тепло и вибрации из окружающей среды квантовой системы нарушают ее квантовое состояние и заставляют ее вести себя как знакомый твердый объект.

Обсерватория LIGO разработана таким образом, чтобы на нее не влияли тепло или вибрации из окружающей среды. Но тестовые массы LIGO достаточно тяжелы, чтобы гравитация могла быть возможной причиной декогеренции.

«Несмотря на столетия поисков, у нас нет возможности совместить гравитацию и квантовую механику. Подобные эксперименты, особенно если они подойдут еще ближе к основному состоянию, могут помочь понять эту загадку. По мере того как мы улучшаем LIGO в течение следующих нескольких лет, мы можем заново провести этот эксперимент по квантовой механике и, возможно, увидеть, что произойдет, когда мы перейдем из классического мира в квантовый мир с объектами размером с человека», - сообщили ученые.