Skip to main content

Quantum control of levitated massive mechanical systems: a new approach for gravitational quantum physics

Article Category

Article available in the folowing languages:

Nowa seria eksperymentów mających wyjaśnić kwestię kwantowej grawitacji

Fizycy kwantowi przygotowują nową platformę, która umożliwi przeprowadzanie makroskopowych eksperymentów kwantowych w polu grawitacyjnym ciała kwantowego.

Badania podstawowe

Mechanika kwantowa i prawo powszechnego ciążenia to dwie dobrze ugruntowane teorie służące opisowi znacznej części świata fizycznego. Niestety obie teorie bazują na wzajemnie wykluczających się postulatach, co oczywiście natychmiast rodzi pytanie, czy grawitacja w ogóle wymaga opisu kwantowego. „To pytanie doświadczalne, na które jednak przy obecnym stanie wiedzy nie jesteśmy w stanie dostarczyć odpowiedzi”, mówi Markus Aspelmeyer, fizyk kwantowy z Uniwersytetu Wiedeńskiego. Aby znaleźć doświadczalne rozwiązanie tej zagadki, Aspelmeyer podjął się przewodnictwa w pracach nad finansowanym ze środków UE projektem QLev4G. Europejska Rada ds. Badań Naukowych wsparła cele projektu, które zakładają przedstawienie nowego podejścia eksperymentalnego, bazującego na kwantowym kontrolowaniu lewitacji cząstek ciała stałego. Badacze mają nadzieję, że takie rozwiązanie pozwoli im położyć solidny fundament pod zupełniej nową serię eksperymentów, które być może doprowadzą do rozwiązania zagadki kwantowej grawitacji. Aspelmeyer wyjaśnia: „Z jednej strony chcieliśmy się przekonać przy jakich rozmiarach ciała będziemy jeszcze w stanie mierzyć jego pole grawitacyjne, z drugiej chcieliśmy pójść w przeciwnym kierunku i sprawdzić, jak masywne ciała są jeszcze zdolne przejawiać właściwości kwantowe”. Udzielenie odpowiedzi na te pytania powinno, przynajmniej teoretycznie, doprowadzić naukowców do opracowania doświadczeń pozwalających próbkować pole grawitacyjne wytwarzane przez obiekt kwantowy.

Istotny postęp na dwóch frontach

Według Aspelmeyera w pracach nad projektem dokonał się znaczny postęp, zarówno na froncie kwantowym, jak i na froncie grawitacji. Uczony zauważa: „Badania nad stroną grawitacyjną eksperymentu pozwoliły nam na razie zmierzyć pole grawitacyjne dla najmniejszej w dziejach nauki masy źródłowej: małej sfery ze złota o promieniu zaledwie 1 mm i masie 90 mg. W przeprowadzanych dotychczas eksperymentach poświęconych badaniu grawitacji wykorzystywano masy co najmniej 10 000 razy większe”. Z kolei na froncie kwantowym naukowcy posługują się technikami chłodzenia laserowego stosowanymi w fizyce atomowej, by uzyskać podstawowy stan kwantowy ruchu szklanego koralika o rozmiarze 150 nm. „To pierwszy zarejestrowany raz, gdy ciało stałe tego rozmiaru wykazało właściwości kwantowe w temperaturze pokojowej”, dodaje Aspelmeyer. Według uczonego olbrzymim zaskoczeniem była niebywała czułość dostępnej w laboratorium aparatury do pomiaru pola grawitacyjnego. Zgodnie z jego słowami zespół co i rusz rejestrował nieoczekiwane sygnały pochodzące ze znajdującej się 1,5 km dalej linii mety maratonu wiedeńskiego. Udało się im także skalibrować urządzenie względem szumu niskoczęstotliwościowego za pomocą sygnału wytworzonego podczas trzęsienia ziemi w Turcji. „Byliśmy zaskoczeni, gdy odkryliśmy, że nasza aparatura rejestruje nawet pole grawitacyjne wiedeńskich tramwajów, które przejeżdżają w odległości 70 m od laboratorium”, zauważa Aspelmeyer.

Nowa platforma do prowadzenia makroskopowych eksperymentów kwantowych

Podczas badań prowadzonych nad projektem QLev4G udało się przygotować nową platformę do prowadzenia makroskopowych eksperymentów kwantowych, której zasadniczą częścią jest lewitujące ciało stałe. „Ta praca przybliżyła nas nieco do eksperymentów, które pozwolą zbadać zjawisko kwantowej grawitacji”, podsumowuje Aspelmeyer. „Mam nadzieję, że nasze działania zainspirują innych do podjęcia wyzwania, jakim jest wskazanie granicy między oddziaływaniami grawitacyjnymi i kwantowymi oraz zbadanie jej”. Naukowcy pracują obecnie nad pomiarem pola grawitacyjnego jeszcze mniejszych mas. Jednocześnie przygotowują możliwie duży stan kwantowy dla możliwie masywnego obiektu. Ostateczny cel ich działań to wyizolowanie grawitacji jako siły sprzężenia pomiędzy obiektami podlegającymi kontroli w ujęciu kwantowym.

Słowa kluczowe

QLev4G, mechanika kwantowa, grawitacja, makroskopowy eksperyment kwantowy, kwantowa grawitacja, fizyka

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania