Квантовые флуктуации способны передвинуть макрообъект

В основном физика делится на две области: классическая физика описывает, как большие объекты и системы работают в масштабе, который мы видим каждый день, в то время как квантовая физика описывает “непонятный” субатомный мир. И вот теперь ученые наблюдали редкое пересечение, когда квантовая флуктуация была способна воздействовать на макроскопический объект.

Для нас, живущих здесь, в мире классической физики, область квантовой физики выглядит довольно нелогично. Это мир, где частицы могут телепортироваться через непроницаемые барьеры, мгновенно «общаться» на больших расстояниях и существовать в двух состояниях одновременно.

Большую часть времени эти квантовые причуды ограничены микроскопическим миром, где их эффекты слишком малы, чтобы мы могли их заметить.

Но теперь физики из MIT и LIGO стали свидетелями квантового события, затронувшего макроскопический объект.

Квантовые флуктуации — это еще одно явление, которое для нас звучит как научная фантастика. В кажущемся пустом пространстве частицы постоянно появляются и исчезают, создавая фон квантового шума.

И вот теперь оказывается, что этого квантового шума достаточно, чтобы переместить макроскопический объект – по крайней мере, в очень тщательно контролируемых условиях.

В новом исследовании ученые наблюдали квантовую флуктуацию, дающую небольшой толчок 40-килограммовому зеркалу в лаборатории LIGO. Получился очень небольшой удар – зеркало переместилось примерно на одну секстиллионную метра (10^-20 м).

«Атом водорода равен 10^-10 метрам, так что это смещение зеркал для атома водорода то же самое, что атом водорода для нас – и мы измерили это”, — говорит Ли Маккаллер, соавтор исследования.

Подобные вещи происходят вокруг нас постоянно, но обычно присутствует слишком много помех, чтобы мы могли их наблюдать. Для своего эксперимента  исследователи обратились к одному из самых “тихих” мест на Земле – объекту LIGO.

LIGO — это огромная лаборатория, созданная для обнаружения гравитационных волн, приходящих из глубокого космоса. Эти волны — рябь в самой ткани пространства-времени, и к тому времени, когда они достигают Земли, они искажают пространство на расстоянии меньшем, чем размер протона. Чтобы быть достаточно чувствительным для обнаружения этих событий, оборудование очень хорошо защищено от внешних шумов.

Это делает его уникальным, чтобы потенциально улавливать макроскопические движения от квантовых флуктуаций.

Чтобы максимизировать квантовые флуктуации, исследователи использовали инструмент, называемый квантовым сжимателем на лазере LIGO. Квантовые флуктуации вытекают из принципа неопределенности — в основном, чем точнее измеряется одно свойство частицы, тем меньше уверенности в других. В этом случае двумя свойствами являются фаза и амплитуда.

Квантовый сжиматель сужает неопределенность по фазе, что увеличивает неопределенность по амплитуде. Последнее свойство является наиболее вероятным для удара по зеркалу, поэтому, по сути, увеличивает шансы на перемещение зеркала. И конечно же, это оказалось так.

«Эта квантовая флуктуация в лазерном свете может вызвать давление, которое действительно может воздействовать объект», — говорят ученые. «В нашем случае объект представляет собой 40-килограммовое зеркало, которое в миллиард раз тяжелее наноразмерных объектов, в которых другие группы физиков измеряли этот квантовый эффект».

Исследование не только помогает нам лучше понять причудливый квантовый мир, но и говорит, что этот квантовый сжиматель может в конечном итоге использоваться, чтобы помочь LIGO обнаруживать даже более слабые гравитационные волны, чем возможно в настоящее время.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.