Një qasje e re për të testuar drejtpërdrejt gravitetin kuantik

Empire

Antarë i Respektuar
Një qasje e re për të testuar drejtpërdrejt gravitetin kuantik

Shkencëtarët janë përpjekur të dalin me një teori të gravitetit kuantik për 100 vjet.
quantum1.jpg

ëndrra përfundimtare e fizikës moderne, për të arritur atë që gjeneratat e shkencëtarëve nuk kanë arritur të bëjnë për 100 vjet: te sajojnë një teori kuantike të gravitetit.

Por çdo teori do të duhet të përballet me teste vëzhgimi, dhe provat vëzhguese të gravitetit kuantik janë të vështira për tu arritur, për shkak të energjive të pabesueshme të nevojshme. Por një ekip fizikanësh ka propozuar një zgjidhje të zgjuar.

Vendosja e një rrotullimi ( spin ) në të
Kthehuni në 1922, në ditët e lavdisë së zgjerimit të pikëpamjes sonë për botën kuantike, Otto Stern dhe Walther Gerlach raportuan një zbulim të ri emocionues që tronditi bazat e fizikës. Ishte një rregullim mjaft i thjeshtë: gjuaj disa atome me një ngarkesë të përgjithshme elektrike në një tub. Përreth tubit është një konfigurim i veçantë i magneteve në mënyrë që fusha magnetike në tub të mos jetë krejtësisht e barabartë - është më e fortë në pjesën e poshtme sesa në pjesën e sipërme.
Stern-Gerlach_experiment.png
Nëse pretendojmë për një moment se atomet janë topa të vegjël të ngarkesës elektrike që rrotullohet, atëherë ato ngarkesa rrotulluese do të bashkëveprojnë me fushën magnetike. Në varësi të drejtimit që tregojnë rrotullimet e tyre, rrezja e hollë e atomeve duhet të spërkatet në të gjitha llojet e drejtimeve. Kjo është elektrodinamika themelore.

Por ata nuk e bëjnë. Në vend të kësaj, jonet e argjendit u ndanë në dy grupe uniforme. Njëri grup devijohet lart, dhe tjetri devijohet poshtë. Ju akoma mund të mendoni për atomet si topa të vegjël të vogël të ngarkesës elektrike që rrotullohet, por ky rrotullim nuk tregon në ndonjë drejtim të rastësishëm. Sipas eksperimentit Stern-Gerlach, ekzistojnë vetëm dy drejtime të mundshme për të drejtuar rrotullimin: deri lart ose deri poshtë.
quantum 2.jpg
Kjo ishte hyrja në botë për tjerrjen kuantike, e cila tani është një gur themeli i kuptimit tonë të grimcave themelore. Ai gjithashtu përshpejtoi plotësisht kuptimin tonë të botës kuantike: Pa një kuptim të plotë kuantik të botës subatomike, ju nuk mund të shpjegonit rezultatet e eksperimentit Stern-Gerlach.


Dhe një kuptim i plotë kuantik i botës subatomike është mjaft interesante. Kur qëlloni jonet e argjendit poshtë tubit, ata nuk janë saktësisht të sigurt se cilën rrotullim do të kenë - nëse do të ngrihen lart ose poshtë. Në vend të kësaj, në gjuhën e mekanikës kuantike, thuhet se ato ekzistojnë në një superpozicion të gjendjeve derisa të vërehen.). Jonet e argjendit janë si rrotullues , derisa të bëjnë një "zgjedhje" kur të kryhet eksperimenti.

Duket e çmendur, por matematika qëndron lart. Duke përdorur këtë gjuhë të superpozimit dhe probabiliteteve, fizikantët janë në gjendje të bëjnë parashikime se si sillet bota nënatomike.

Shtimi i çuditshmërisë është veti e valës së materies. Rezulton se ju mund të përdorni ekuacionet që rregullojnë lëvizjen e valëve për të përshkruar se si sillen ato probabilitete. Me fjalë të tjera, matematika u zhvillua fillimisht për të kuptuar se si valët e oqeanit zhurmonin andej-këtej ishte krejtësisht e përshtatshme për të përshkruar se si një grimcë nënatomike do të "vendoste" midis të qenurit rrotullues lart ( spin up ) ose rrotullues posht ( spin down).

Ne mund të përfitojmë nga kjo veti e valës së materies për të eksploruar botën kuantike edhe më thellë. Për shembull, valët mund të ndërhyjnë me njëra-tjetrën, ose duke amplifikuar (si ai tingull i tmerrshëm i reagimit kur e afroni një mikrofon shumë afër një altoparlanti) ose duke anuluar njëri-tjetrin (si kufjet për anulimin e zhurmës që përdorni për të marrë një mbyllje aq të nevojshme në fluturimet ndërkontinentale).

Kam përdorur valë zanore në shembujt e mi, por ju mund të ndërhyni po aq lehtë në valët e ujit, valën e dritës - dhe valët e materies.

Studiuesit në vitet 1960 e kuptuan që ata mund të përdorin një strukturë Stern-Gerlach për të ndërtuar një sistem ku valët kuantike të rrotullimit mund të ndërhyjnë me njëri-tjetrin, duke lejuar matje ultra-precize. Por konfigurimi u konsiderua jopraktik - do t'ju duhet kontroll jashtëzakonisht i hollë mbi fushat magnetike në mënyrë që ta bëni konfigurimin të funksionojë.
=+N+S+Deflected+Up+Undeflected+Beam+of+Atoms+Oven+Stern-Gerlach.jpg
Por nuk janë më vitet 1960 dhe një ekip fizikantësh kanë qenë në gjendje të bëjnë që valët kuantike të rrotullimeve të ndërhyjnë me njëri-tjetrin, siç detajohet në një letër të botuar kohët e fundit në revistën para shtypjes arXiv.

Funksionon kështu. Së pari ju merrni disa atome dhe i ftohni ato. Kjo i bën ata më të lehtë për tu trajtuar. Pastaj i dërgoni në një çip atomi, i cili është një pajisje eksperimentale për të bllokuar dhe kontrolluar rrjedhën e atomeve. Më pas i nënshtroni ato në një fushë magnetike, ku del natyra e valës së rrotullimit të tyre kuantik - atomet tani janë në një superpozicion të gjendjeve të rrotullimit. Ju ndani rrezen e atomeve, në mënyrë që atome të ndryshme të ndjekin shtigje të ndryshme, pastaj t'i rikombinoni ato.

Në varësi të mënyrës sesi i akordoni gjatësitë e dy shtigjeve, mund të merrni ndërhyrje konstruktive ose shkatërruese. Për shkak se kemi të bëjmë me rrotullime, ose ju merrni një tërësi të një rrotullimi ose tjetrin, ose një përzierje.

Ky konfigurim ju lejon të matni ndryshime jashtëzakonisht të vogla. Nëse ndonjë gjë ndryshon gjatësinë e shtigjeve, ose diçka ngatërron me natyrën e rrotullimit të atomeve, atëherë mund të shikoni se si ndryshohet rezultati.

Fizikanët nuk kanë kryer ende ndonjë eksperiment me këtë pajisje - ata kanë kaluar vite duke e bërë punën të funksionojë. Por tani që po funksionon, ata mund të hetojnë një sërë procesesh fizike dhe ndoshta të hapin derën e gravitetit kuantik.

Ne nuk kemi një teori plotësisht kuantike të gravitetit, e cila është e nevojshme për të shpjeguar gravitetin e fortë në shkallë të vogla. Por ky lloj interferometri i rrotullimit mund të na ndihmojë, sepse është një pajisje e lehtë për tu ndërtuar që sondon drejtpërdrejt botën kuantike. Për shembull, ju mund të vendosni një objekt shtigjeve dhe të përdorni rezultatin e ndërhyrjes për të matur forcën e gravitetit në shkallë jashtëzakonisht të vogla. Si një shembull tjetër, interferometri i rrotullimit mund të përdoret si një detektor i vogël i valës gravitacionale (pasi dallgëzimet në hapësirë-kohë do të ndryshonin gjatësitë e shtigjeve), duke funksionuar në frekuenca shumë të ndryshme sesa gjenerimi aktual i detektorëve.

Çfarëdo që po ndodh në botën kuantike, eksperimenti Stern-Gerlach ishte nga të parët që e bëri atë të arritshëm. Kjo pajisje, e zhvilluar gati një shekull më vonë, mund të jetë çelësi për të gërmuar edhe më thellë.
 
Top