Ученые приблизились к квантовой гравитации с помощью холодного зеркала

02 червня 2025 р. 16:37

02 червня 2025 р. 16:37

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) в США провели необычный эксперимент в рамках подтверждения квантовой природы гравитации.

В рамках эксперимента ученые с помощью лазеров охладили крошечный крутильный маятник почти до абсолютного нуля. Таким образом они надеются узнать, ведет ли себя гравитация подобно другим квантовым силам .

Вопрос того, как действует гравитация на квантовом уровне, интересует научное сообщество уже давно. До сих пор ученые не смогли создать последовательную квантовую теорию гравитации .

«Физики-теоретики предложили множество возможных сценариев — от гравитации, изначально классической до полностью квантовой, но спор остается нерешенным, поскольку у нас никогда не было четкого способа проверить квантовую природу гравитации в лабораторных условиях. Ключ к ответу на этот вопрос заключается в подготовке механических систем, которые достаточно массивны, чтобы ощущать гравитацию, но при этом достаточно тихие — достаточно квантовые — чтобы показать, как гравитация взаимодействует с ними», — объясняет кандидат наук на кафедре машиностроения в MIT Дончел Шин.

В недавнем эксперименте Дончель Шин и его коллеги использовали лазеры для охлаждения крошечного механического крутильного маятника. Это впервые, когда ученые использовали лазеры для охлаждения подобного механизма с целью доказать квантовую природу гравитации.

«Крутильные маятники являются классическими инструментами исследования гравитации со времен знаменитого эксперимента Кавендиша в 1798 году. Их использовали для измерения силы тяжести Ньютона G, проверки закона обратных квадратов и поиска новых гравитационных явлений. Применяя методы лазерного охлаждения, изначально разработанные для атомов, к сантиметровому торсионному маятнику, мы пытаемся совместить классический и квантовый миры. Эта гибридная платформа позволяет проводить новый класс экспериментов — экспериментов, которые наконец позволят нам проверить, нужно ли описывать гравитацию квантовой теорией », — отмечает Дончель Шин.

В рамках исследования ученые с помощью лазеров охладили маятник размером не более сантиметра от комнатной температуры до 10 милликельвинов или — 273,14 °С с использованием зеркального оптического рычага. По словам Шина, это простая, однако мощная измерительная техника. Луч лазера направляется на зеркало и даже небольшой его наклон заставляет отраженный луч заметно смещаться на детекторе. Это увеличивает небольшие угловые движения в легко измеряемые сигналы.

Между тем исследователь подчеркнул, что несмотря на простоту идеи, ученые столкнулись с трудностями, поскольку луч лазера может едва заметно дрожать вследствие воздушных потоков, вибраций, или же из-за несовершенства оптических приборов. Эта дрожь может ошибочно восприниматься как движение зеркала и ограничивать способность ученых измерять истинные сигналы. Из-за этого ученые использовали зеркальный оптический рычаг с помощью второй, зеркальной версии лазерного луча для устранения нежелательного дрожания.

«Один луч взаимодействует с маятником, а другой отражается от зеркала с угловым кубом, обращая любое дрожание, не улавливая движение маятника. Когда два луча объединяются на детекторе, реальный сигнал от осциллятора сохраняется, а ложное движение от дрожания лазера устраняется», — подчеркнул Дончель Шин.

Такой подход уменьшил шум в тысячу раз, что позволило исследователям обнаружить движение с чрезвычайной точностью, почти в 10 раз лучше, чем собственные квантовые нулевые флуктуации маятника. Как отмечает Шин, ученым удалось достичь квантово-ограниченной точности ниже нулевого движения маятника, однако достижение фактического основного квантового состояния остается целью исследователей.

Команда ученых планирует еще больше усилить оптическое взаимодействие — используя оптический резонатор, который усиливает угловые сигналы, или стратегии оптического захвата. Эти улучшения могут открыть дверь к экспериментам, в которых два таких осциллятора взаимодействуют только за счет гравитации, что позволит напрямую проверить, является ли гравитация квантовой или нет.

Физики приблизились к «Теории всего» за счет нового объяснения гравитации

Результаты исследования были опубликованы в журнале Optica

Источник: SciTechDaily

Наука