Natuurkundigen die ondergronds met lasers schoten, konden een object bijna volledig stil maken.
LIGO-technici bekijken een van de spiegels van het observatorium. Afbeelding: Caltech/MIT/LIGO Lab
Een team van natuurkundigen zegt dat ze erin geslaagd zijn om de beweging van atomen bijna te bevriezen over vier hangende spiegels. Het is een verbluffende prestatie die de definities van ogenschijnlijk eenvoudige woorden als 'object' en 'temperatuur' onder druk zet. Dus riemen vast.
De setting voor dit experiment was LIGO, de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, waar natuurkundigen zoeken naar rimpelingen in de ruimte-tijd die worden veroorzaakt door de botsingen van massieve objecten zoals zwarte gaten. Het observatorium vertrouwt op vier zorgvuldig opgehangen spiegels en laserstralen om passerende zwaartekrachtsgolven te detecteren, die de spiegels een klein beetje verschuiven, waardoor de laserstralen even wiebelen. De onderzoekers achter het huidige experiment maakten gebruik van een pauze bij LIGO afgelopen september om iets te proberen dat nog nooit eerder was gedaan: een object op menselijke schaal zo koelen dat er kwantumwaarnemingen op konden worden gedaan. Hun resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Science.
Je kunt een object afkoelen door het in een vriezer te plaatsen, maar als je een natuurkundige bent, kun je een object ook afkoelen door de beweging ervan te verminderen. Soms betekent dat het toepassen van een tegenkracht, in dit geval laserstralen, op het object, om de willekeurige beweging op atomaire schaal te vertragen. Gelukkig is LIGO al uitgerust met lasers, dus het team hoefde zich geen zorgen te maken over het verknoeien van de ongelooflijk dure experimentele opstelling.
“We zouden hetzelfde vermogen van LIGO kunnen gebruiken om iets anders te doen, namelijk LIGO gebruiken om de willekeurige wiebelende beweging van deze spiegels te meten – gebruik de informatie die we hebben over de beweging – en een tegenkracht uitoefenen, zodat je weten dat je de atomen zou stoppen om te bewegen,” zei Vivishek Sudhir, een kwantumfysicus aan het Massachusetts Institute of Technology en een co-auteur van het artikel, in een videogesprek.
Hier wordt het raar. Het team heeft geen enkele spiegel lasergekoeld; in plaats daarvan koelden ze de collectieve beweging van alle vier de spiegels af tot 77 nanokelvin, of 77 miljardste van een kelvin, net boven het absolute nulpunt. Deze collectieve beweging is wat de natuurkundigen hun 'object' noemen, ook al voldoet dat niet helemaal aan je dagelijkse definitie van het woord. Dit is nu het grootste object dat ooit is afgekoeld tot bijna de kwantumbewegingsgrondtoestand – met andere woorden, volledige rust op atomair niveau.
G/O Media krijgt mogelijk een commissie
K-Swiss Court Casper casual sneakers
Dus waarom zouden ze zo'n inspanning ondernemen? Ze proberen beter te begrijpen hoe de klassieke wereld – dat wil zeggen, de dingen waar jij en ik bekend mee zijn, zoals stoelen en katten – interageert met het kwantumregime. Om dat te doen, zou het nuttig zijn om een groot, gemakkelijk te observeren systeem (zoals de spiegels) te hebben dat zich gedraagt als een systeem op kwantumschaal. Doorgaans worden objecten op menselijke schaal veel te beïnvloed door dingen als het gerommel van passerende treinen, wind, de geluidsgolven van iemand die dichtbij praat, enz. om delicate metingen van zeer kleine krachten te krijgen. Ondergronds en geschorst, is LIGO al grotendeels beschermd tegen deze factoren. Maar om zich als een kwantumsysteem te gedragen, moest het team ook het door hitte veroorzaakte geluid verwijderen. Kamertemperatuur betekent dat de lucht bruist van energie. Maar hoe kouder het wordt, hoe minder beweging er is.
“Dit is een indrukwekkende verbetering ten opzichte van hun eerdere resultaten bij het koelen van deze enorme mechanische modus van hun spiegelsysteem”, zei Markus Aspelmeyer, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Wenen die niet is aangesloten bij het recente artikel, in een e-mail. “Ik ben het eens met hun stelling dat dit een fantastisch systeem is om decoherentie-effecten op superzware objecten in het kwantumregime te bestuderen.” Met decoherentie bedoelt Aspelmeyer de manier waarop objecten hun kwantumeigenschappen verliezen.
Sudhir zei dat de volgende stap voor het team zou zijn om het effect van de zwaartekracht op het systeem te testen. Zwaartekracht is niet direct waargenomen in het kwantumrijk; het kan zijn dat zwaartekracht een kracht is die alleen op de klassieke wereld inwerkt. Maar als het op kwantumschalen bestaat, is een gekoeld systeem in LIGO – al een extreem gevoelig instrument – een fantastische plek om te kijken. Zwaartekracht werkt intenser op massieve objecten, dus het hebben van zo'n groot object om mee te werken is een grote stap in de richting van het onderzoeken hoe de kracht al dan niet in contact kan komen met de kwantumwereld.
Voor Sudhir is een deel van wat zo opwindend is, het ontrafelen van de grenzen van deze natuurwetten. “Waarom is het dat… elke fysieke wet die we allemaal hebben ontdekt als mensen op aarde even goed van toepassing is ver, ver weg, ergens in een andere hoek van het universum?” zei Sudhir. “Dat hoeft niet zo te zijn. En toch is het zo.”
Meer: Natuurkundigen laser-koele antimaterie tot bijna absoluut nulpunt
Isaac SchultzPostsTwitter
Wetenschapsschrijver bij Gizmodo, voorheen van Atlas Obscura. Een geboren New Yorker. Meestal over oude dingen (op aarde en daarbuiten) en massa's die extreem groot of ongelooflijk klein zijn.