Физики предложили новый интересный способ изучения гравитации
Разработанная в Массачусетском технологическом институте методика позволяет проводить новый класс экспериментов, которые, наконец, позволят физикам проверить, можно ли описывать гравитацию с помощью квантовой теории.
Вопрос о квантовой природе гравитации остается одним из самых глубоких и нерешенных в современной физике. В отличие от электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, которые успешно описаны в рамках квантовой теории, гравитация до сих пор не имеет полной и последовательной квантовой модели. Физики-теоретики предлагают различные сценарии — от классической гравитации до полностью квантовой, но экспериментальная проверка этих гипотез остается сложной задачей.
Ключевой проблемой является отсутствие методов, позволяющих напрямую исследовать квантовые эффекты гравитации в лабораторных условиях. Как отмечает Дончель Шин, кандидат наук из Массачусетского технологического института (MIT), решение этого вопроса требует создания механических систем, которые одновременно обладают достаточной массой для взаимодействия с гравитацией и достаточно высокой квантовой когерентностью, чтобы демонстрировать квантовые эффекты.
В своей последней работе, опубликованной в журнале Optica, Шин и его коллеги представили новый метод лазерного охлаждения сантиметрового торсионного осциллятора. Этот подход, ранее применявшийся для охлаждения атомных газов и наномеханических осцилляторов, впервые был адаптирован для крутильных систем. Торсионные маятники исторически использовались в гравитационных экспериментах, начиная с опытов Генри Кавендиша в 1798 году, но их применение в квантовых исследованиях стало возможным только сейчас благодаря новым технологиям.
Исследователи использовали зеркальный оптический рычаг — метод, при котором лазерный луч отражается от зеркала, а его смещение детектируется с высокой точностью. Однако основная сложность заключалась в устранении шумов, вызванных дрожанием лазера из-за вибраций, воздушных потоков и оптических несовершенств. Для этого команда ученых применила схему с двумя лазерными лучами: один взаимодействовал с осциллятором, а другой — с неподвижным зеркалом, компенсируя внешние помехи.
Этот подход позволил снизить уровень шума в тысячу раз и достичь температуры системы около 10 милликельвинов, что близко к квантовому пределу. Чувствительность измерений оказалась настолько высокой, что удалось зарегистрировать движения, почти в 10 раз меньшие, чем квантовые нулевые флуктуации осциллятора.
Перспективы изучения квантовой гравитации
Несмотря на успех, исследователи отмечают, что достижение основного квантового состояния осциллятора потребует дальнейшего усиления оптического взаимодействия. Для этого рассматриваются методы, такие как использование оптических резонаторов или стратегий оптического захвата. Эти усовершенствования могут открыть путь к экспериментам, в которых два осциллятора взаимодействуют исключительно через гравитацию, что позволит напрямую проверить, подчиняется ли гравитация квантовым законам.
Шин подчеркивает междисциплинарный характер исследования, объединяющего знания из теории относительности, квантовой механики, оптики, нанотехнологий и электроники. Такой синтез подходов, включая инженерные методы, делает возможным продвижение в решении фундаментальных вопросов физики.
Работа команды MIT представляет собой важный шаг в направлении экспериментальной проверки квантовой природы гравитации. Лазерное охлаждение осцилляторов открывает новые возможности для создания гибридных платформ, сочетающих классические и квантовые технологии. В перспективе это может привести к прорыву в понимании гравитации и, возможно, к созданию единой теории, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности.