Един от най-комплексните отворени въпроси в съвременната физика е: квантова ли е гравитацията.

Докато другите фундаментални сили - електромагнитна, слаба ядрена и силна ядрена - са успешно описани от квантовата теория, гравитацията все още се отличава от нея. Досега учените не са успели да създадат последователна квантова теория на гравитацията, което оставя голяма празнина в разбирането ни за Вселената.

„Теоретичните физици са предложили много възможни сценарии - от гравитацията, която по своята същност е класическа, до напълно квантова, но - дебатът остава неразрешен, защото никога не сме имали ясен начин да проверим квантовата природа на гравитацията в лаборатория“, казва Донгчел Шин, докторант в катедрата по машинно инженерство на Масачузетския технологичен институт (MIT).

„Ключът към отговора на този въпрос се крие в подготовката на механични системи, които са достатъчно масивни, за да усещат гравитацията, но достатъчно тихи - достатъчно квантови, - за да разкрият как гравитацията взаимодейства с тях.“

Шин работи върху експериментални платформи, които изследват границите на физиката, като същевременно полагат основите за бъдещи технологии. В скорошно проучване той и екипът му направиха голяма крачка напред, като успешно използваха лазери за охлаждане на малко механично устройство, наречено торсионен осцилатор. Тяхната статия, озаглавена „Активно лазерно охлаждане на торсионен осцилатор със сантиметров мащаб“, показва как този метод може да помогне да се разкрие дали гравитацията се държи съгласно квантовите правила.

Физиците използват лазери за охлаждане на атомни газове от 80-те години на миналия век, а напоследък и за контрол на движението на наномащабни механични системи. Но това е първият път, когато някой прилага лазерно охлаждане към торсионен осцилатор – инструмент, който играе централна роля в експерименти, целящи да разкрият истинската природа на гравитацията.

„Торсионните махала са класически инструменти за изследване на гравитацията още от известния експеримент на Хенри Кавендиш през 1798 г. Те са били използвани за измерване на гравитационната константа на Нютон, известна като G, за тестване на закона за обратните квадрати и за търсене на нови гравитационни явления“, обяснява Шин.

Чрез използване на лазери за премахване на почти цялото топлинно движение от атомите през последните десетилетия учените създадоха ултрастудени атомни газове при микро- и нанокелвинови температури. Тези системи сега захранват най-прецизните часовници в света - оптични решетъчни часовници - с толкова висока прецизност на отчитане на времето, че те биха спечелили или загубили по-малко от секунда за възрастта на Вселената.

„В исторически план тези две технологии са се развивали отделно - едната в гравитационната физика, другата в атомната и оптичната физика“, продължава Шин. „В нашата работа ние ги обединяваме. Прилагайки техники за лазерно охлаждане, първоначално разработени за атоми, към торсионен осцилатор с сантиметров мащаб, ние се опитваме да свържем класическия и квантовия свят. Тази хибридна платформа дава възможност за нов клас експерименти - такива, които най-накрая биха могли да ни позволят да проверим дали гравитацията трябва да бъде описана от квантовата теория.“

Новата статия демонстрира лазерно охлаждане на торсионен осцилатор със сантиметров мащаб от стайна температура до температура от 10 миликелвина (1/1000 от келвин), използвайки огледален оптичен лост.

„Оптичният лост е проста, но мощна техника за измерване: насочвате лазер върху огледало и дори малък наклон на огледалото кара отразения лъч да се измести забележимо върху детектора. Това увеличава малките ъглови движения в лесно измерими сигнали“, обяснява Шин, отбелязвайки, че макар предпоставката да е проста, екипът се е сблъскал с предизвикателства на практика. „Самият лазерен лъч може леко да трепти поради въздушни течения, вибрации или несъвършенства в оптиката. Тези трептения могат фалшиво да се появят като движение на огледалото, ограничавайки способността ни да измерваме истински физически сигнали.“

За да преодолеят това, екипът използва подхода с огледален оптичен лост, който използва втора, огледална версия на лазерния лъч, за да елиминира нежеланото трептене.

„Единият лъч взаимодейства с торсионния осцилатор, докато другият се отразява от огледало с форма на ъглов куб, обръщайки всяко трептене, без да улавя движението на осцилатора“, казва Шин. „Когато двата лъча се комбинират в детектора, реалният сигнал от осцилатора се запазва, а фалшивото движение от лазерното трептене се анулира.“

Този подход намали шума с коефициент хиляда, което позволи на изследователите да откриват движение с изключителна прецизност, почти 10 пъти по-добра от собствените квантови флуктуации в нулевата точка на осцилатора. „Това ниво на чувствителност ни позволи да охладим системата до само 10 миликелвина, използвайки лазерна светлина“, казва Шин.

Шин казва, че тази работа е само началото. „Въпреки че постигнахме квантово ограничена прецизност под нулевото движение на осцилатора, достигането на действителното квантово основно състояние остава следващата ни цел“, казва той. „За да направим това, ще трябва допълнително да засилим оптичното взаимодействие – използвайки оптична кухина, която усилва ъгловите сигнали, или стратегии за оптично улавяне. Тези подобрения биха могли да отворят вратата към експерименти, при които два такива осцилатора взаимодействат само чрез гравитация, което ни позволява директно да тестваме дали гравитацията е квантова или не.“

Снимка: Unsplash/Tony Pulsone/MechE

Виж още: Измислено Facebook събитие, маскирано като математическа задача, е един от най-популярните постове в мрежата вече 6 месеца