ได้รับการออกแบบมาเพื่อตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง แต่ก็ยังพิสูจน์ได้ว่าเป็นห้องทดลองที่ยอดเยี่ยมสำหรับการผลักดันขีดจำกัดของฟิสิกส์ควอนตัม ขณะนี้ ทีมนักวิจัยนานาชาติได้ทำให้กระจกบานใหญ่ของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์เย็นลงใกล้กับสถานะควอนตัมกราวด์ นักวิจัยหวังว่าจะเปิดหน้าต่างใหม่ไปสู่ผลกระทบที่เป็นไปได้ของแรงโน้มถ่วงต่อกลศาสตร์ควอนตัม โดยการทำให้วัตถุมีขนาดใหญ่พอ
ที่จะรู้สึกได้
ถึงแรงโน้มถ่วงที่ตรวจจับได้ งานนี้อาจนำไปสู่การปรับปรุงความไวของ LIGO ต่อคลื่นความโน้มถ่วงในอนาคต หอดูดาว LIGO สองแห่ง (หนึ่งในหลุยเซียน่าและอีกแห่งในรัฐวอชิงตัน) มีชื่อเสียงในด้านการบุกเบิกการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ในปี 2558 ภายในไม่กี่วันหลังจากเปิดเครื่อง พวกเขาพบสัญญาณ
จากการรวมหลุมดำคู่หนึ่งเข้าด้วยกัน ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา LIGO ได้ตรวจพบการรวมตัวของหลุมดำและเหตุการณ์อื่นๆ หลายสิบรายการ และได้เข้าร่วมในการค้นหาด้วยเครื่องมือที่คล้ายกันในอิตาลีและญี่ปุ่นเครื่องตรวจจับ LIGO แต่ละตัวเป็นเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่มีแขนยาว 4 กม. คลื่นความโน้มถ่วง
เป็นระลอกคลื่นในอวกาศ-เวลาที่เปลี่ยนความยาวเส้นทางสัมพัทธ์ในอ้อมแขนของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ทำให้เกิดสัญญาณแสงเล็กๆ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ต้องมีสัญญาณรบกวนต่ำมากจึงจะเห็นสัญญาณเหล่านี้ ซึ่งทำให้เป็นสถานที่ที่ดีเยี่ยมในการศึกษาฟิสิกส์ควอนตัมในระดับมหภาค
กิโลกรัมแทนนาโนกรัมที่อื่น ๆ หลายกลุ่มได้เผยแพร่งานอธิบายการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ของออสซิลเลเตอร์ขนาดใหญ่ไปยังสถานะกราวด์ที่เคลื่อนไหว แต่สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกับวัตถุที่ติดอยู่บนสเกลนาโนแกรมหรือพิโคแกรม ในงานล่าสุดที่ LIGO นี้ นักวิจัยได้ศึกษาวัตถุประกอบที่ประกอบ
ด้วยกระจก 40 กก. ของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ 4 ชิ้น ซึ่งทำงานร่วมกันเป็นออสซิลเลเตอร์ที่มีมวล 10 กกการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์จะไม่ทำงานสำหรับกระจกของ LIGO เนื่องจากพลังงานแสงมหาศาลที่จำเป็นในการดักจับวัตถุขนาดใหญ่เช่นนี้จะทำให้เกิดความร้อนในตัวมันเอง นอกจากนี้ ความถี่เรโซแนนซ์
ต่ำของกระจก
จะทำให้การระบายความร้อนด้วยเลเซอร์ไม่มีประสิทธิภาพในระหว่าง แห่งสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) ในสหรัฐอเมริกาอธิบายว่า “มีเวลาเพิ่มขึ้นกับเครื่องมือเมื่อ LIGO เปิดอยู่แต่ไม่ได้รับข้อมูลอย่างแข็งขัน” นักวิจัยได้ปรับใช้โปรโตคอลการระบายความร้อน พวกเขาวัดการกระจัดของกระจก
จากแหล่งต่างๆ เช่น แรงดันการแผ่รังสีจากเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ก่อนที่จะคำนวณแรงที่แน่นอนที่จำเป็นในการยับยั้งการสั่นเหล่านี้ แรงนี้ถูกกระทำผ่านเส้นใยซิลิกาเพื่อให้กระจกอยู่นิ่งเกือบทั้งหมด
สอดคล้องกับไฮเซนเบิร์ก เนื่องจากแรงดันการแผ่รังสีประกอบด้วยการหดตัวจากกระแสของโฟตอน
การใช้การป้อนกลับแบบแอคทีฟเพื่อยกเลิกการหดตัวนี้อาจดูเหมือนเป็นการละเมิดหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ซึ่งห้ามไม่ให้รู้ทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคพร้อมกัน “ไม่ใช่สิ่งที่นักฟิสิกส์เคยเชื่อว่าเป็นไปได้เมื่อ 20 ปีก่อน” เพื่อนร่วมงานl อธิบาย ตอนนี้ทีมงานต้องการผลักดันไปสู่อุณหภูมิ
ที่เย็นกว่านี้ Sudhir กล่าวว่า “ผลที่ลอยต่ำในการทดลองของเราคือการค้นหาสิ่งที่เราสามารถพูดได้เกี่ยวกับแหล่งที่มาของความไม่สัมพันธ์กันภายนอกที่อาจป้องกันไม่ให้วัตถุขนาดใหญ่มากอยู่ในสถานะควอนตัมบริสุทธิ์” นักทฤษฎีบางคน เช่นโรเจอร์ เพนโรสได้เสนอกลไกที่สนามโน้มถ่วงนำไปสู่การล่มสลาย
ของสถานะควอนตัม: “วิธีหนึ่งที่จะทดสอบ [ทฤษฎีการล่มสลาย] ก็คือการเตรียมระบบขนาดใหญ่ในสถานะควอนตัมบริสุทธิ์ ให้มันสัมผัสกับสนามโน้มถ่วงและ ดูว่ามันลดน้อยลงหรือไม่” “ด้วยผลงานของเรา มันเป็นไปได้ที่จะนึกถึงการทดลองที่คุณมีวัตถุในสถานะควอนตัมที่บริสุทธิ์หรืออย่างน้อยก็บริสุทธิ์
พอสมควร
ซึ่งยังคงมีขนาดใหญ่พอที่จะตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วงได้”นอกจากนี้ เขากล่าวว่า อาจเป็นไปได้ที่จะเพิ่มความไวของ LIGO ต่อคลื่นความโน้มถ่วง เช่น การวางกระจกในสภาวะที่พันกัน “ไม่เกี่ยวกับคำถาม แต่คงไม่ใช่เร็วๆ นี้”“เย็นมาก”“ฉันคิดว่ามันเป็น [การทดลอง] ที่เจ๋งมาก” ในสหราชอาณาจักร กล่าว
“สมาคม LIGO ได้ศึกษาระบบนี้อย่างจริงจังในช่วงเวลาที่ยาวนาน และพวกเขามีความเข้าใจเป็นอย่างดีเกี่ยวกับระบบทดลองนี้และวิธีการทำงาน” อย่างไรก็ตาม เขากำลัง “ดิ้นรน” ด้วยแนวคิดที่ว่าระบบจะไวต่อผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงที่มีต่อกลศาสตร์ควอนตัม: “ถ้าคุณต้องการดูวิวัฒนาการของควอนตัม
มันคือการวัดเชิงไดนามิก” เขากล่าว “คุณต้องการระบบที่พัฒนาตามกลศาสตร์ควอนตัม ไม่ใช่ตามข้อเสนอแนะที่คุณกำลังทำอยู่” แห่งมหาวิทยาลัยเวียนนา ซึ่งกลุ่มของเขากำลังทดสอบความเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมควอนตัมที่คาดหวังในวัตถุขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ นั้นเปิดกว้างมากขึ้นต่อแนวคิดของพฤติกรรม
ควอนตัมที่มองเห็นได้เมื่อเปิดการป้อนกลับ “คุณวัดระบบอย่างต่อเนื่อง” เขากล่าว “ข้อมูลที่คุณได้รับจะเปรียบเทียบกับแบบจำลองของระบบ แบบจำลองนี้เป็นสมการสุ่มของชโรดิงเงอร์” ดังนั้น การเบี่ยงเบนใดๆ จากพฤติกรรมที่ทำนายโดยสมการชโรดิงเงอร์จึงควรตรวจพบได้ทันที เขาสรุปว่า
“มันคงเจ๋งมากที่จะวางทฤษฎีการล่มสลายเหล่านี้ทั้งหมด”กุญแจสู่ความสำเร็จในการทดลองคือ นักวิจัยสามารถคำนวณแรงจากโฟตอนใด ๆ ที่กำหนดโดยการวัดเฉพาะช่วงของการกระทบ: “คุณมีบันทึกการรบกวนทั้งหมดที่เกิดบนกระจกอย่างสมบูรณ์ และ ณ จุดนั้น ไม่มีอะไรป้องกันคุณจาก
ใช้การป้อนกลับเพื่อหยุดการเคลื่อนไหวทั้งหมดของกระจก” สิ่งนี้ทำให้นักวิจัยสามารถทำให้กระจกเย็นลงจากอุณหภูมิห้องถึง 77 nK ซึ่งเกือบจะอยู่ที่สถานะพื้นควอนตัมแบบเคลื่อนที่ได้ แนวทางใหม่อีกแนวทางหนึ่งคือการจำลองวัสดุเชิงตัวเลข ซึ่งช่วยให้เราจินตนาการถึงโครงสร้างระดับนาโนที่ซับซ้อน แล้วจำลองพฤติกรรมเพื่อดูว่าพวกมันทำงานตามที่เราตั้งใจไว้หรือไม่
