Впервые квантовые флуктуации были измерены при помощи подвижного 40-килограммового зеркала

Posted by admin on 16 июля, 2020

Современная физика разделена на две области — на область классической физики, которая описывает работу больших объектов и систем в масштабе, который мы каждый день наблюдаем вокруг себя, и квантовую физику, описывающее происходящее в призрачном субатомном мире. Нам, живущим в мире классической физики, область квантовой физики кажется весьма необычной и парадоксальной. Это мир, где частицы могут «телепортироваться» через непроницаемые барьеры, они могут обмениваться информацией на огромных расстояниях, они могут существовать сразу в двух квантовых состояниях и находиться в двух различных местах одновременно. И не так давно ученым удалось создать такие пограничные условия, при которых так называемые квантовые флуктуации проявили себя по отношению к объекту макромасштаба.

Квантовые флуктуации — это еще одно из явлений, которое, с нашей точки зрения, весьма походит на научную фантастику. Заключается оно в том, что даже в совершенно пустом месте, в космическом вакууме, к примеру, из ниоткуда возникают квантовые частицы, которые моментально исчезают в никуда, создавая фоновый квантовый шум.

И, как определили ученые из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) и эксперимента LIGO, этого квантового шума иногда бывает достаточно для того, чтобы объект макромасштаба начал перемещаться. В качестве такого объекта выступало 40-килограммовое зеркало, в области которого были создан набор специальных условий, и, под действием квантовых флуктуаций это зеркало начало колебаться с амплитудой в одну сикстиллионную долю метра (10^-20 метра).

«Размер атома водорода составляет 10^-10 метра и мы использовали такие атомы в качестве опорной величины для измерений смещения зеркала» — рассказывает Ли МакКаллер (Lee McCuller), один из исследователей.

Отметим, что подобное, по всей видимости, происходит вокруг нас все время, но в нашей окружающей среде присутствует достаточное количество других помех, которые препятствуют наблюдениям за влиянием квантовых флуктуаций на наш мир.

Для того, чтобы снизить влияние помех, ученые провели свои эксперименты в одном из «самых тихих мест» на Земле, в помещении гравитационной обсерватории LIGO, которая предназначена для регистрации гравитационных волн, прибывающих из глубин космоса. Эти волны — колебания пространственно-временного континуума, порожденные самыми мощными из космических катаклизмов, и когда они добираются до Земли, их амплитуда не превышает размера одного протона. Естественно, для того, чтобы зафиксировать такие малые колебания требуется максимальная изоляция оборудования от внешних шумов и других влияний.

Для того, чтобы максимизировать амплитуду квантовых колебаний ученые использовали так называемую «квантовую выжималку» (quantum squeezer), инструмент, подключенный к лазеру эксперимента LIGO. Квантовые флуктуации появляются из-за влияния одного из главных законов квантовой механики — принципа неопределенности. Одним из следствий этого принципа является то, что чем с большей точностью вы измеряете одну квантовую характеристику объекта, тем менее точными получаются измерения других параметров. В данном случае этими параметрами являются фаза и амплитуда квантовых колебаний.

«Квантовая выжималка» позволяет уменьшить неопределенность при измерении фазы колебаний, что автоматически увеличивает неопределенность при измерении амплитуда. И если не вдаваться в математические дебри, то все это повышает вероятность того, что зеркало начнет перемещаться под воздействием квантовых флуктуаций.

«Квантовые колебания самого лазерного света могут оказать радиационное давление, которое может послужить начальным «пинком» для 40-килогаммового зеркала, которое продолжит колебаться дальше уже под воздействием флуктуаций» — рассказывает Ли МакКаллер, — «И это зеркало более чем в миллиард раз тяжелей наноразмерных объектов, при помощи которых раньше были измерены параметры различных квантовых эффектов, в том числе и флуктуаций».

И в заключение следует отметить, что данные исследования не только помогли ученым лучше понять некоторые особенности призрачного квантового мира. Созданная «квантовая выжималка» имеет все шансы стать инструментом, который поможет обсерватории LIGO обнаруживать и регистрировать столь слабые гравитационные волны, амплитуды которых лежат далеко за пределами возможностей ее нынешних детекторов.