Физики зафиксировали квантовый шум в лаборатории LIGO – что нужно знать?

Исследователи из проекта LIGO продемонстрировали, как сверхтонкая настройка приборов позволяет им раздвигать границы фундаментальных законов физики. Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) обнаруживает гравитационные волны, возникающие в результате катастрофических событий во Вселенной, таких как слияние нейтронных звезд и черных дыр. Эти пространственно-временные колебания позволяют ученым наблюдать гравитационные эффекты в экстремальных условиях и исследовать фундаментальные вопросы о Вселенной и ее истории. Недавно ученые зарегистрировали движение массивного объекта — зеркала детектора — под действием квантовых эффектов. Но что это означает?

Благодаря работе лабораторий LIGO VIRGO ученым удалось обнаружить гравитационные волны

Что такое квантовый шум?

Недавно физикам удалось измерить сдвиг огромного зеркала детектора LIGO, вес которого достигает сорока килограммов. Напомним, что в международную исследовательскую группу LIGO входит около 40 научно-исследовательских институтов, а над анализом данных, поступающих с детектора и других обсерваторий, трудятся более 600 ученых. Основной задачей LIGO является обнаружение и регистрация гравитационных волн космического происхождения, которые впервые были предсказаны Альбертом Эйнштейном в Общей теории относительности (ОТО) в 1916 году.

Как показали результаты исследования, опубликованного в журнале Nature, 40-килограммовые зеркала LIGO могут двигаться в ответ на крошечные квантовые эффекты, называемые квантовым шумом. В физике квантовый шум относится к неопределенности физической величины, что обусловлено его квантовым происхождением. В общем и целом квантовый шум является одним из фундаментальных квантовых законов: принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому некоторые физические величины не могут одновременно иметь абсолютно точные значения.

Улучшение инструментов и приборов LIGO в будущем откроет немало тайн Вселенной

Говоря простыми словами, некоторые величины измерить невозможно, так как физические законы этого не позволяют. На практике это означает, что в данных любого измерительного прибора присутствует квантовый шум, который настолько мал, что теряется в более мощных шумах, а еще его нельзя устранить. Однако физикам удалось измерить крошечный сдвиг сорокакилограммового зеркала детектора LIGO. Чтобы лучше понимать происходящее, представьте, что зафиксированный сдвиг в несколько раз меньше атома водорода. Но почему эта фиксированная «квантовая дрожь» важна для современной науки?

Как работает LIGO?

Так как принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что с абсолютной точностью измерить пару физических величин нельзя, неопределенность, все же, можно уменьшить в одной из них, одновременно увеличив в другой. Именно так и поступили физики в ходе исследования – они уменьшили квантовый шум и проверили, не изменился ли общий шум от всех источников и если да, то как. Для этого они использовали специальный прибор, с помощью которого удалось измерить вклад квантового шума в смещение зеркал LIGO.

Напомним, что в ядре детекторов LIGO находятся лазерные интерферометры километрового масштаба, которые измеряют расстояние между 40-килограммовыми подвесными зеркалами с наилучшей точностью, когда-либо достигнутой. Беспрецедентный уровень чувствительности LIGO достигается благодаря самой современной технике, необходимой для подавления вибрационных и тепловых шумов в детекторах. Именно на таких уровнях чувствительности в игру вступает квантовая механика: исследователи использовали давление света на зеркала и количество фотонов в лазерном луче. Важное значение здесь имеет положение зеркал, так как только первая из двух величин оказывает на них влияние.

Проект LIGO был предложен в 1992 году Кипом Торном, Рональдом Древером из Калифорнийского технологического института и Райнером Вайссом из Массачусетского технологического института.

Таким образом, исследователям удалось доказать, что квантовый шум LIGO — это неопределенность в давлении света. Все вышеперечисленное означает, что на полигоне LIGO физики смогли заглянуть ниже так называемого стандартного квантового предела – предела, когда в измерениях используются только естественные квантовые состояния.

В эксперименте использовался неклассический «сжатый свет», который уменьшает квантовые флуктуации лазерного поля. Всего несколько лет назад этот тип квантового поведения был бы слишком слаб, чтобы его можно было наблюдать. Но новые методы измерения позволяют раздвинуть горизонты физики, а будущие усовершенствования и модернизация инструментов позволят добиться улучшенной чувствительности уже имеющихся приборов. Это означает, что в будущем мы сможем создавать гравитационно-волновые технологии, которые позволят более детально проникать в пространство-время и открывать головокружительные тайны Вселенной. Так что нас с вами ждет череда увлекательных научных открытий.