Один из самых важных и до сих пор открытых вопросов современной физики – можно ли считать гравитацию квантовым явлением? В отличие от других фундаментальных взаимодействий – электромагнитного, слабого и сильного – у нас до сих пор нет полной и согласованной квантовой теории гравитации. Причина проста: её трудно проверить экспериментально. Как объясняет Донгчел Шин, аспирант MIT и стипендиат MathWorks, для этого нужно создать механическую систему, которая одновременно была бы достаточно массивной, чтобы чувствовать гравитацию, и достаточно “тихой” – то есть квантовой – чтобы можно было уловить, как именно гравитация с ней взаимодействует.
В недавно опубликованной работе в журнале Optica Шин и его коллеги впервые применили лазерное охлаждение к сантиметровому крутильному осциллятору – классическому инструменту гравитационных экспериментов, известному ещё со времён опыта Кавендиша 1798 года. Традиционно такие осцилляторы использовали для измерения гравитационной постоянной, проверки закона обратных квадратов и поиска новых гравитационных эффектов. Теперь же учёные сумели охладить систему с комнатной температуры до 10 миллиКельвинов – это в сто раз холоднее, чем жидкий гелий – и всё это с помощью света.
Само по себе лазерное охлаждение – не новость. С 1980-х годов оно успешно применяется для охлаждения атомных газов, а с 2010-х – для наноразмерных линейных осцилляторов. Но впервые эта техника была адаптирована для крутильных систем на макроскопическом уровне. Такой прорыв стал возможен благодаря методу “оптического рычага”: лазер направляют на зеркало, и даже малейший поворот отражающей поверхности приводит к заметному смещению луча. Это позволяет улавливать крошечные колебания с большой точностью.
Однако, как подчёркивает Шин, в реальности луч может дрожать из-за турбулентности воздуха, вибраций и несовершенства оптики – и эти помехи легко спутать с реальными сигналами от осциллятора. Чтобы исключить этот шум, команда использовала вторую, симметричную лазерную систему: один луч взаимодействует с устройством, другой – отражается от особого зеркала, нивелируя колебания самого луча. При объединении сигналов на детекторе шумы взаимно уничтожаются, а сигнал от осциллятора сохраняется.
Эта технология позволила уменьшить уровень шумов в тысячу раз и измерять движения с чувствительностью, почти в десять раз превышающей собственные квантовые флуктуации осциллятора. Такой уровень точности и позволил опустить температуру до пределов, приближающихся к абсолютному нулю. Следующая цель команды – достичь квантового основного состояния осциллятора. Для этого, по словам Шина, нужно ещё сильнее усилить взаимодействие света и механики – например, с помощью оптической ловушки или резонатора, усиливающего угловые сигналы.
В перспективе это даст возможность проводить эксперименты, в которых два таких осциллятора будут взаимодействовать только с помощью гравитации – без электромагнитного контакта. И тогда, наконец, можно будет напрямую проверить, действительно ли гравитация подчиняется квантовым законам.
Соавторами исследования стали также профессор MIT Вивишек Судхир и аспирант Дилан Файф из его лаборатории, а также учёные из Университета Юты. Как отмечает Шин, работа над проектом потребовала не только глубоких знаний в квантовой механике и общей теории относительности, но и практических навыков – от нанофабрикации до прецизионной оптики и систем управления. Инженерное мышление, говорит он, оказалось важным связующим звеном между фундаментальной наукой и практикой.