Вплив квантових флуктуацій вперше зафіксували на макрооб’єктах

Спеціаліст з оптики оглядає одне з дзеркал LIGO. Matt Heintze/Caltech/MIT/LIGO Lab

Команда дослідників з гравітаційної лабораторії LIGO повідомила, що їм вперше вдалося спостерігати та виміряти квантові флуктуації, які “посунули” 40-кілограмові дзеркала.

Невизначеність з помітним поштовхом

Космічний простір лише видається повсюдно пустим, однак у масштабі квантових частинок він більше нагадує спінений океан. Закони цього світу настільки дивні, що дозволяють на мить з’явитись та зникнути частинкам у будь-якому місці простору та часу. Фізики назвали це явище квантовими флуктуаціями, які за своєю суттю є проявом невизначеності. Однак нещодавно дослідники з MIT повідомили, що їм вперше вдалося виміряти це явище на об’єктах людського масштабу.

Квантовий шум змістив на незначну відстань дзеркала детектора LIGO, які важать 40 кілограмів. І хоча ця відстань була крихітною навіть для квантового виміру – 10-20 м – фізикам все ж вдалося її зафіксувати. Подібне зміщення макрооб’єкта передбачалося квантовою механікою, проте досі його ніхто не фіксував.

“Розмір атома водню складає 10-10 м, тож зміщення дзеркал було настільки малим, як атом водню для нас. І ми його виміряли,”

– каже Лі МакКаллер з Інституту астрофізики та космічних досліджень MIT Kavli.

Насправді дослідники не ставили за мету показати світу, як квантовий шум з всюдисущих флуктуацій може “рухати” предмети. Радше навпаки – намагалися виключити його, щоби підвищити чутливість лазерного детектора гравітаційних хвиль. Для цього команда застосувала спеціально розроблений інструмент, який отримав назву “квантовий стискач”.

Детектори LIGO складаються з двох 4-км тунелів з інтерферометрами, що розходяться в боки під кутом 90 градусів у формі букви L. Кожен такий тунель закінчується масивним 40-кілограмовим дзеркалом. На вході також встановлено лазер, промінь якого розходиться по обох тунелях та відбивається від дзеркал назад. Система налаштована таким чином, що у звичайних умовах обидва промені повертаються в детектор одночасно і детектор нічого не фіксує. Однак, щойно через LIGO проходить гравітаційна хвиля і простір, яким поширюється лазер, розтягується чи стискається, промені досягають детектора з запізненням, і дослідники фіксуються сигнал.

Щоби отримати найкращу чутливість до віддалених космічних подій, які й стають джерелом гравітаційних хвиль, науковці з LIGO рутинно екранують його вузли. Це допомагає виключити з сигналу механічний шум, що надходить з поверхні (вантажівки, потяги та ін. вібрації).

За словами професора Нерджис Мавалвали, їй разом з колегами спало на думку перевірити здатність LIGO фіксувати квантовий шум всередині інтерферометра. Оскільки лазер LIGO несе чимало фотонів у промені, там також мали виникати флуктуації квантових частинок. Виявилося, що такі флуктуації здатні генерувати достатній імпульс випромінювання, щоби посунути важкі дзеркала на незначну, але вимірювану відстань.

Квантовий стискач у роботі

Спочатку вчені виміряли загальний шум всередині інтерферометра LIGO, який включав “класичний” вібраційний шум та фонові квантові флуктуації у промені. Потім вони увімкнули квантовий “стискач”, який спеціально впливає на стан флуктуацій та “стискає” їхні фізичні характеристики, зокрема фазу та амплітуду. Маніпулюючи параметрами квантового шуму, фізикам вдалося виокремити “класичний” шум з даних, а детектор продовжував фіксувати зміщення дзеркал, яке відбувалося під дією квантових флуктуацій.

Мавалвала зазначила, що їхні вимірювання вклалися у межі, передбачені квантовою механікою.

“Та все ж дивовижно бачити підтвердження цього на чомусь великому,”

– зазначила професор.

Фізики продовжували експериментувати з квантовим стискачем, впливаючи на параметри квантового шуму. Так їм вдалося провести вимірювання з точністю, вищою за стандартний квантовий ліміт. А зменшений квантовий шум допоможе реєструвати новий клас гравітаційних хвиль від ще більш віддалених джерел.

Що таке квантові флуктуації? Маєте запитання на тему? Перевірте обговорення у Кварки Академія.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter.

19 Shares:
1 comment
  1. мова йде про ефект Казимира?
    Як можна “збудити” квантове поле? О_о

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *

Перегляньте також