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重力量は量子ですか？ | MITニュース

現代の物理学で最も深いオープンな質問の1つは、「重力量は量子ですか？」です。 他の基本的な力 - 電磁的、弱い、強い - はすべて正常に説明されていますが、重力の完全で一貫した量子理論はまだ存在しません。 「理論物理学者は、重力から本質的に古典的なものまで、多くの可能なシナリオを提案していますが、研究室で重力の量子性をテストする明確な方法がなかったため、議論は未解決のままです」 「これに答えるための鍵は、重力を感じるのに十分な大きさでありながら十分に静かで、十分な量の機械システムを準備することにあります。Mathworks FellowでもあるShinは、基本的な物理学を調査し、将来の産業技術への道を開くように設計された量子および精度の計測プラットフォームを研究しています。彼は、センチメートルのねじれ発振器のレーザー冷却を示す新しい論文の主執筆者です。オープンアクセスペーパー、「センチメートルスケールのねじれ発振器のアクティブレーザー冷却、」は最近ジャーナルに掲載されました 光学。 レーザーは1980年代から原子ガスを冷却するために日常的に採用されており、2010年頃からナノスケールの機械発振器の線形運動に使用されてきました。新しい論文は、この技術が初めて、これらのシステムを使用して重力を研究する世界的な努力の鍵であるねじれ発振器に拡張されました。「ねじれ振り子は、重力研究のための古典的なツールでした [Henry] 1798年のキャベンディッシュの有名な実験。それらは、ニュートンの重力定数を測定し、G、逆二乗法をテストし、新しい重力現象を検索するために使用されました」とシンは説明します。レーザーを使用して原子からほぼすべての熱運動を除去することにより、最近数十年で科学者はミクロおよびナノアルバン温度で超コールド原子ガスを作成しました。これらのシステムは現在、世界で最も正確な時計（光学格子時計）を強化し、タイムキーピングの精度が非常に高く、宇宙の年齢で1秒未満を獲得または失うことになります。「歴史的に、これらの2つの技術は別々に開発されました。1つは重力物理学、もう1つは原子物理学と光学物理学です」とシンは言います。 「私たちの仕事では、それらをまとめます。原子用に開発されたレーザー冷却技術をセンチメートルスケールのねじれ発振器に適用することにより、古典的および量子な世界を橋渡ししようとします。このハイブリッドプラットフォームは、新しいクラスの実験を可能にします。新しい論文では、ミラー化された光レバーを使用して、室温から10ミリケルビン（ケルビンの1/1,000分の1）の温度までのセンチメートルスケールのねじれ発振器のレーザー冷却を示しています。「光学レバーはシンプルだが強力な測定技術です。レーザーをミラーに照らし、ミラーの小さな傾きでさえ、反射ビームが検出器に顕著にシフトします。 「レーザービーム自体は、光学系の気流、振動、または欠陥によりわずかにジッターできます。これらのジッターは、鏡の動きとして誤って現れることができ、真の物理的信号を測定する能力を制限します。」これを克服するために、チームはMirrored Optical Leverアプローチを使用しました。これは、2番目のミラーバージョンのレーザービームを使用して、不要なジッターをキャンセルしました。「1つのビームはねじれ発振器と相互作用し、もう1つはコーナーキューブミラーを反射し、発振器の動きを拾わずにジッターを逆転させます」とシンは言います。 「2つのビームが検出器で結合されると、発振器からの実際の信号が保存され、からの誤った動きが保存されます。 [the] レーザージッターがキャンセルされます。」このアプローチは、騒音を1000倍減らし、研究者はオシレーター自身の量子ゼロポイント変動のほぼ10倍の極度の精度で動きを検出することができました。 「そのレベルの感度により、レーザー光を使用してシステムをわずか10ミリケルビンに冷却することができました」とシンは言います。シンは、この作品はほんの始まりに過ぎないと言います。 「発振器のゼロポイント運動よりも量子制限の精度を達成しましたが、実際の量子基底状態に到達することは次の目標のままです」と彼は言います。 「そのためには、角度信号を増幅する光学キャビティ、または光学トラッピング戦略を使用して、光学的相互作用をさらに強化する必要があります。これらの改善は、2つのそのようなオシレーターが重力を介してのみ相互作用し、重力が量子であるかどうかを直接テストできる実験への扉を開くことができます。」機械工学部の論文の他の著者には、機械工学の助教授であるVivishek Sudhirと1957年のキャリア開発教授のクラス、および博士号候補のDylan Fifeが含まれます。その他の著者は、ユタ大学の電気およびコンピューター工学部のティナ・ヘイワードとラジェシュ・メノンです。シンとファイフは両方ともSudhirの研究室のメンバーです、 量子および精密測定グループ。シンは、この仕事を通して彼が感謝するようになったことの1つは、チームが取り組んでいる課題の幅広さだと言います。 「実験的に重力の量子的側面を研究することは、相対性、量子力学などの物理学の深い理解を必要とするだけでなく、システム設計、ナノファブリケーション、光学、コントロール、電子機器の実践的な専門知識を必要とします」と彼は言います。「物理システムの理論的および実用的な側面の両方に及ぶ機械工学のバックグラウンドを持つことで、これらの多様なドメイン全体で有意義に貢献するための適切な視点が得られました」とシンは言います。 「この広範なトレーニングが、科学における最も基本的な質問の1つにどのように取り組むのに役立つかを見ることは非常にやりがいがあります。」 #重力量は量子ですか #MITニュース