یکی از عمیق ترین سؤالات باز در فیزیک مدرن این است: “آیا کوانتومی گرانش است؟”
نیروهای اصلی دیگر – الکترومغناطیسی ، ضعیف و قوی – همه با موفقیت توصیف می شوند ، اما هنوز هیچ نظریه کوانتومی کامل و مداوم از گرانش وجود ندارد.
“دونگل شین ، می گوید:” فیزیکدانان نظری سناریوهای ممکن بسیاری را ارائه داده اند ، زیرا گرانش ذاتاً کلاسیک برای کاملاً کوانتومی است ، اما بحث همچنان حل نشده است زیرا ما هرگز راهی روشنی برای بررسی ماهیت کوانتومی گرانش در آزمایشگاه نداشته ایم. ” “کلید پاسخ این امر در تهیه سیستم های مکانیکی که به اندازه کافی عظیم هستند برای احساس گرانش ، اما هنوز هم به اندازه کافی ساکت – به اندازه کافی کوانتومی – برای نشان دادن چگونگی تعامل گرانش با آنها وجود دارد.”
شین ، که همچنین همکار Mathworks است ، سیستم عامل های متروولوژیکی کوانتومی و دقیق را بررسی می کند که فیزیک اصلی را کشف می کند و به گونه ای طراحی شده است که راه را برای فناوری های صنعتی آینده ایجاد کند. او نویسنده پیشرو در کتاب جدید است که نشان دهنده خنک کننده لیزر از نوسان ساز پیچشی با یک سانتی متر طولانی است. سند دسترسی آزاد ، “خنک کننده لیزر فعال نوسان ساز پیچشی در سانتیمتر” اخیراً در مجله منتشر شد بیناییحرف
از لیزرها به طور معمول برای خنک کردن گازهای هسته ای از دهه 1980 استفاده می شود و در حرکت خطی نوسان سازهای مکانیکی با نانو از حدود سال 2010 استفاده می شود. مقاله جدید اولین باری است که این تکنیک به نوسان سازهای پیچشی گسترش یافته است ، که مهمترین تلاش در سراسر جهان است.
“محلات پیچشی از آن زمان ابزارهای کلاسیک برای بررسی گرانش بوده اند [Henry] آزمایش معروف کاوندیش در سال 1798. از آنها برای اندازه گیری ثابت گرانشی نیوتن ، آزمایش قانون Rot Square و جستجوی پدیده های گرانشی جدید استفاده شد. “
با استفاده از لیزر برای از بین بردن تقریباً تمام حرکت حرارتی از اتم ها ، در دهه های اخیر ، دانشمندان در دمای میکرو و نانوکلوین گازهای اتمی Ultrakold ایجاد کرده اند. این سیستم ها در حال حاضر دقیق ترین ساعت های جهان – کوره های نوری – با دقت زمان برای حفظ زمان که در دوره جهان برنده یا از دست می دهند ، کمتر از یک ثانیه است.
شین می گوید: “از نظر تاریخی ، این دو فناوری به طور جداگانه توسعه می یابند – یکی در فیزیک گرانشی ، دیگری در فیزیک اتمی و نوری.” “در کار ما ، ما آنها را متحد می کنیم. با استفاده از تکنیک های خنک کننده لیزر ، که در ابتدا برای اتمها در سانتی متر نوسان ساز پیچشی طراحی شده است ، سعی می کنیم بر دنیای کلاسیک و کوانتومی غلبه کنیم.
مقاله جدید نشان دهنده خنک کننده لیزر یک نوسان ساز پیچشی در سانتی متر از دمای اتاق تا دمای 10 مایل (1/1000 قسمت کلوین) با استفاده از یک اهرم نوری آینه است.
“اهرم نوری یک تکنیک اندازه گیری ساده اما قدرتمند است: شما لیزر را روی یک آینه می درخشید و حتی یک شیب آینه ریز باعث می شود که پرتوی منعکس شده به طور قابل ملاحظه ای بر روی یک ردیاب تغییر یابد. این باعث افزایش حرکات زاویه ای کوچک در سیگنال های به راحتی قابل اندازه گیری می شود.” “پرتو لیزر به دلیل جریانهای هوا ، ارتعاشات یا نواقص در اپتیک می تواند کمی لرزید. این ارتعاشات می تواند به عنوان یک حرکت آینه به دروغ ظاهر شود و توانایی ما در اندازه گیری سیگنال های فیزیکی واقعی را محدود کند.”
برای غلبه بر این ، تیم از رویکرد آینه اهرم نوری که از یک نسخه دوم ، یک نسخه آینه ای از پرتو لیزر استفاده می کند ، برای لغو سوسو زدن ناخواسته استفاده می کند.
شین می گوید: “یک پرتو با نوسان ساز پیچشی در تعامل است و دیگری آینه زاویه را منعکس می کند و هر سوسو زدن را بدون بلند کردن حرکت نوسان ساز می چرخاند.” “هنگامی که دو تیر در ردیاب ترکیب می شوند ، سیگنال واقعی از نوسان ساز حفظ می شود و حرکت کاذب از [the] سوسو زدن لیزر لغو شده است. “
این رویکرد باعث کاهش سر و صدای با ضریب هزار نفر می شود ، که به محققان اجازه می دهد حرکت را با دقت استثنایی تشخیص دهند ، تقریباً 10 برابر بهتر از نوسانات نقطه صفر کوانتومی نوسان ساز. شین می گوید: “این سطح حساسیت به ما امکان می دهد تا با استفاده از نور لیزر ، فقط 10 مایل پخت را خنک کنیم.”
شین می گوید این کار تازه آغاز است. وی می گوید: “همانطور که ما به دقت محدود کوانتومی در زیر نقطه صفر نوسان ساز دست یافتیم ، رسیدن به حالت کوانتومی واقعی هدف بعدی ما است.” “برای انجام این کار ، ما باید تعامل نوری را بیشتر تقویت کنیم – با کمک یک حفره نوری که سیگنال های زاویه ای یا استراتژی های ضبط نوری را تقویت می کند. این پیشرفت ها می تواند در آزمایش هایی را باز کند که در آن دو چنین نوسان ساز فقط از طریق گرانش در تعامل هستند ، که به ما امکان می دهد مستقیم آزمایش کنیم.”
نویسندگان دیگر روزنامه از گروه مهندسی مکانیک عبارتند از ویویشک سودیر ، دستیار مهندسی مکانیک و استاد 1957 برای پیشرفت شغلی و دکتر دیلن فیف. نویسندگان اضافی تینا هایوارد و راجش منون از گروه مهندسی برق و مهندسی کامپیوتر در دانشگاه یوتا هستند. شین و فیف دو عضو آزمایشگاه سودیر هستند. ، او گروه اندازه گیری کوانتومی و دقیقحرف
شین می گوید یک چیز که از طریق این کار از آن قدردانی کرده است ، عرض چالشی است که تیم با آن سر و کار دارد. وی می گوید: “مطالعه جنبه های کوانتومی گرانش به صورت تجربی نه تنها نیاز به درک عمیق از روابط فیزیک ، مکانیک کوانتومی دارد ، بلکه به تجربه عملی در طراحی سیستم ، نانوپابرابی ، اپتیک ، کنترل و الکترونیک نیز نیاز دارد.”
شین می گوید: “وجود تجربه در مکانیسم ، که هم جنبه های نظری و هم عملی سیستم های فیزیکی را در بر می گیرد ، چشم انداز مناسبی برای پیمایش و کمک به این حوزه های متنوع به من داد.” “این بسیار ارزشمند بود که ببینیم چگونه این آموزش گسترده می تواند به مقابله با یکی از اساسی ترین سؤالات در علم کمک کند.”
