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espelhos supergelos fazem fronteira com os limites da gravidade e da física quântica

O observatório de ondas gravitacionais LIGO nos Estados Unidos é tão sensível a vibrações que pode detectar ondas minúsculas no espaço-tempo chamadas ondas gravitacionais. Essas ondas são causadas pela colisão de buracos negros e outros cataclismos estelares em galáxias distantes e causam movimentos no observatório muito menores do que um próton.

Agora usamos essa sensibilidade para resfriar efetivamente uma massa de 10 quilogramas a menos de um bilionésimo de grau acima do zero absoluto.



Leia mais: Explicação: por que você pode ouvir as ondas gravitacionais quando as coisas colidem no universo


A temperatura é uma medida de quanto e com que rapidez os átomos e moléculas ao nosso redor (e dos quais somos feitos) se movem. Quando os objetos esfriam, suas moléculas se movem menos.

“Zero absoluto” é o ponto onde os átomos e moléculas param de se mover completamente. No entanto, a mecânica quântica diz que a ausência total de movimento não é realmente possível (devido ao princípio da incerteza).

Em contraste, na mecânica quântica, a temperatura do zero absoluto corresponde a um “estado fundamental de movimento”, que é a quantidade mínima teórica de movimento que um objeto pode ter. A massa de 10 quilogramas em nosso experimento é cerca de 10 trilhões de vezes mais pesada do que a massa anterior mais pesada, resfriada a este tipo de temperatura e resfriada quase ao seu estado fundamental de movimento.

Um dos quatro espelhos LIGO Advanced de 40 kg que esfriam perto de seu estado fundamental quântico.
Danny / Caltech / MIT / LIGO Lab Sellers, Autor fornecido

O trabalho, publicado hoje na Science, é um passo importante na busca contínua para entender a lacuna entre a mecânica quântica, a estranha ciência que governa o universo em escalas muito pequenas, e o mundo macroscópico que vemos ao nosso redor.

Planos já estão em andamento para melhorar o experimento em observatórios de ondas gravitacionais mais sensíveis no futuro. Os resultados podem oferecer uma visão sobre a inconsistência entre a mecânica quântica e a teoria da relatividade geral, que descreve a gravidade e o comportamento do universo em escalas muito grandes.

Como funciona

O LIGO detecta ondas gravitacionais usando lasers disparados através de longos túneis e refletidos entre dois pares de espelhos de 40 quilogramas, depois combinados para produzir um padrão de interferência. Pequenas mudanças na distância entre os espelhos aparecem como flutuações na intensidade do laser.

O movimento dos quatro espelhos é controlado com muita precisão, para isolá-los de quaisquer vibrações circundantes e até mesmo para compensar o impacto da luz laser refletida neles.

Esta parte pode ser difícil de entender, mas podemos mostrar matematicamente que o diferenças no movimento dos quatro espelhos de 40 quilos, é equivalente ao movimento de um único espelho de 10 quilos. O que isso significa é que o padrão de mudanças de intensidade do laser que observamos neste experimento é o mesmo que veríamos em um único espelho de 10 quilogramas.

Um dos quatro espelhos LIGO Advanced de 40 kg que esfriam perto de seu estado fundamental quântico.
Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab, Autor fornecido

Embora a temperatura do espelho de 10 quilogramas seja definida pelo movimento dos átomos e de suas moléculas componentes, não medimos o movimento de moléculas individuais. Em vez disso, e em grande parte porque é assim que medimos as ondas gravitacionais, medimos o movimento médio de todos os átomos (ou o movimento do centro de massa).

Existem pelo menos tantas maneiras de os átomos se moverem quanto o de átomos, mas medimos apenas uma dessas maneiras, e esse movimento particular de dança de todos os átomos juntos é o único que esfriamos.

O resultado é que, embora os quatro espelhos físicos permaneçam à temperatura ambiente e sejam quentes ao toque (se permitirmos que alguém os toque), o movimento médio do sistema de 10 quilogramas é efetivamente 0,77 nanokelvin, ou menos de um bilionésimo de um parte. um grau acima do zero absoluto.

Luz espremida

Nossa contribuição para a Advanced LIGO, como membros do centro de pesquisa de ondas gravitacionais OzGrav da Austrália, foi projetar, instalar e testar o sistema de “luz quântica comprimida” no detector. Este sistema cria e injeta um campo quântico especialmente projetado no detector, tornando-o mais sensível ao movimento dos espelhos e, portanto, mais sensível às ondas gravitacionais.

O sistema de luz comprimida usa um tipo especial de cristal para produzir pares de fótons altamente correlacionados ou “emaranhados”, o que reduz a quantidade de ruído no sistema.

Os cientistas da Australian National University, Nutsinee Kijbunchoo e Terry McRae, constroem componentes para uma fonte de luz compactada por quantum no Observatório LIGO Hanford em Washington, EUA.
Nutsinee Kijbunchoo, Autor fornecido


Leia mais: Vamos obter um detector melhor – Hora das atualizações da pesquisa de ondas gravitacionais!


O que tudo isso significa?

Ser capaz de observar uma propriedade particular desses espelhos se aproximando de um estado fundamental quântico é um subproduto da melhoria do LIGO na busca por fazer mais e melhor astronomia de ondas gravitacionais, mas também pode oferecer uma visão sobre a questão controversa da mecânica quântica e da gravidade. .

Em escalas muito pequenas, a mecânica quântica permite muitos fenômenos estranhos, como objetos sendo ondas e partículas, ou aparentemente existindo em dois lugares ao mesmo tempo. No entanto, embora o mundo macroscópico que vemos seja construído a partir de pequenos objetos que devem obedecer aos fenômenos quânticos, não vemos esses efeitos quânticos em escalas maiores.

Uma teoria de por que isso acontece é a ideia de Decoerência. Isso sugere que o calor e as vibrações do ambiente de um sistema quântico perturbam seu estado quântico e fazem com que ele se comporte como um objeto sólido familiar.

Um dos quatro espelhos LIGO Advanced de 40 kg que esfriam perto de seu estado fundamental quântico.
Danny / Caltech / MIT / LIGO Lab Sellers, Autor fornecido

Para medir ondas gravitacionais, o LIGO é projetado para não ser afetado pelo calor ou vibrações de seus arredores, mas as massas de teste do LIGO são pesadas o suficiente para que a gravidade seja uma possível causa da decoerência.

Apesar de um século de pesquisas, não temos como reconciliar a gravidade e a mecânica quântica. Experimentos como esse, especialmente se puderem chegar ainda mais perto do estado fundamental, podem fornecer uma visão sobre esse quebra-cabeça.

À medida que melhoramos o LIGO nos próximos anos, podemos refazer esse experimento de mecânica quântica e talvez ver o que acontece quando passamos do mundo clássico para o mundo quântico com objetos de tamanho humano.



Leia mais: Explicação: gravidade


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