الفلك

ميكانيكا الكم بعد الكشف عن موجات الجاذبية

ميكانيكا الكم بعد الكشف عن موجات الجاذبية


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

طبعا الكل يعرف الآن باكتشاف موجات الجاذبية

ولكن ، بما أن النسبية العامة وميكانيكا الكم لا تتوافقان ، هل يمكننا القول الآن أن هذا الاكتشاف يثبت أن ميكانيكا الكم لا تنطبق بالفعل وأن النسبية العامة قد سادت؟

سؤال آخر: كيف يمكننا تحديد أصل التموج (دعنا نقول ما إذا كان نتيجة للانفجار العظيم أو حدث كبير آخر)؟

تحرير 16-2-2016

كنت أقرأ مقالًا اليوم وأعتقد أنني سأشاركه هنا ؛ إنه يقول بشكل أساسي أنه بدون كاشف ثالث لا يمكننا تثليث الإشارة. حاول بعض العلماء طرقًا لمراقبة ضوء الحدث مباشرة بعد ملاحظات الموجة لكنهم لم يتمكنوا من اكتشاف الاندماج لمجرد أنه بعيد جدًا أو خافت جدًا بحيث لا يمكن ملاحظته باستخدام تقنيتنا الحالية.


ليس أكثر من رصد موجات الضوء يدحض ميكانيكا الكم.

للضوء خصائص كل من الجسيم والموجة. في الطاقات المنخفضة ، يصعب اكتشاف طبيعة الجسيمات للضوء: تتكون موجات الراديو من الفوتونات ، لكن من الصعب جدًا اكتشاف فوتونات الموجات الراديوية الفردية. لست متأكدًا من أننا اكتشفنا بشكل مباشر فوتونات فردية ذات طاقات تحت نطاق الأشعة تحت الحمراء.

موجات الجاذبية (على الأرجح) لها أيضًا طبيعة موجية وجسيمية. من المحتمل أن يكون مجال الجاذبية محددًا كميًا. ولكن عند الترددات والحساسية التي يعمل بها LIGO ، لا يمكن قياس الكميات الفردية. لذا فإن هذا الاكتشاف لا يثبت صعود الموارد الجينية على إدارة الجودة.

إذا كان هناك أي شيء ، فإن فهم الأحداث المتطرفة مثل اندماج الثقوب السوداء قد يؤدي إلى فهم نظري للطبيعة الكمومية للجاذبية.


سؤال آخر ، كيف يمكننا تحديد أصل التموج (دعنا نقول أنه نتيجة الانفجار العظيم أو حدث كبير آخر)؟

(أنا فقط أجيب على هذا الجزء من السؤال ، حيث أجاب جيمس بالفعل على الجزء الرئيسي حول GR مقابل QM.)

أنتج LIGO صورة تُظهر أفضل تقدير لمكان وجود هذين الثقبين الأسودين:

كل ما يمكنهم قوله هو ، في مكان ما في السماء الجنوبية. في المستقبل ، ستسمح شبكة من المزيد من أجهزة الكشف بتحديد مثل هذه الأحداث بدقة أكبر.


تأثير هذا القياس على حالة الجاذبية الكمية هو بالضبط صفر.

البيان الصحيح لعدم توافق النسبية العامة وميكانيكا الكم هو ذلك نظرية المجال الكمي للنسبية العامة ليست قابلة لإعادة التطبيع. تعني قابلية إعادة التطبيع بشكل أساسي أن النظرية محددة جيدًا على جميع مستويات الطاقة ، والتي تبدو كمطلب معقول على نظرية أساسية مقترحة.

إذن ما نعرفه هو أنه بأخذ النسبية العامة الكلاسيكية وتقديرها ، لا نحصل على نظرية أساسية للجاذبية الكمومية. هذا لا يفعل شيئًا لاستبعاد نظريات الجاذبية الكمومية المقترحة ، على سبيل المثال ، LQG أو نظرية الأوتار.

علاوة على ذلك ، فإن الطريقة التي تعمل بها الفيزياء هي أن النظريات الجديدة يجب أن تختزل إلى النظريات القديمة في مجالات قابلية تطبيق النظريات القديمة. مهما كانت النظرية الكمومية الصحيحة للجاذبية ، يجب أن يكون حد الطاقة المنخفضة الخاص بها هو النسبية العامة ، والحد الكلاسيكي لذلك هو النسبية العامة الكلاسيكية. ليس صحيحًا أنه عليك الاختيار بين النسبية العامة أو ميكانيكا الكم.

لذا فإن هذا القياس للتنبؤ بالنسبية العامة الكلاسيكية لا يفعل شيئًا على الإطلاق لإظهار عدم وجود نموذج ميكانيكي كمي للجاذبية. لم يستطع ذلك ، لأن لدينا بالفعل نموذج ميكانيكي كم للجاذبية: النسبية العامة الكمية. إنها ليست "لطيفة" كما نرغب ، ولكن هذا يستبعدها حقًا فقط مثل ملف أساسي نظرية.


وقال كيب ثورن في المؤتمر الصحفي للإعلان (2/11/2016) إن الكشف يضع حداً أعلى لباقي كتلة الجرافيتون. لقد حددوا هذا الحد من خلال النظر في تشوهات شكل موجة الإشارة المكتشفة مقارنة بالإشارة المثالية التي تنتجها عمليات المحاكاة الحاسوبية. الحد الأعلى من المنشور هو $ m_ {graviton} <1.2 × 10 ^ {- 22} frac {eV} {c ^ 2} $ or $ 1.9 × 10 ^ {- 41} kg $.

المراجع: https://www.youtube.com/watch؟v=vy5vDtviIz0&feature=youtu.be&t=1h5m23s https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.061102 (الصفحة 8)


على الرغم من أن الاكتشاف المزدوج لدمج Gravitational Waves و Black Hole قد لا يؤثر بشكل مباشر على حالة QM ، إلا أنه قد يجلب "مفاجآت" جديدة بشكل غير مباشر ، على سبيل المثال ، في هذا الرابط: http://news.discovery.com/space/weve-detected- موجات الجاذبية- so-what-160213.htm يعلقون على ذلك: "لسبب ما ، يكون الدوران النهائي للثقب الأسود أبطأ مما كان متوقعًا ، مما يشير إلى أن الثقبين الأسودين قد تصادما بسرعة منخفضة ، أو أنهما كانا في تصادم التكوين الذي تسبب في زخمهم الزاوي المشترك لمواجهة بعضهم البعض. "هذا أمر غريب للغاية ؛ لماذا تفعل الطبيعة ذلك؟" قال لينر ". والتعليق الأخير هو: "قد يرجع هذا اللغز المبكر إلى بعض الفيزياء الأساسية التي لم يتم أخذها في الاعتبار ، ولكن الأكثر إثارة أنه يمكن أن يكشف عن بعض الفيزياء" الجديدة "أو الغريبة التي تتداخل مع تنبؤات النسبية العامة". رائع! "التدخل في النسبية العامة" طريقة مهذبة للإيحاء بأنها قد تكون خاطئة. لذلك ربما تأتي إدارة الجودة لإنقاذ الجنرال النسبي وليس العكس.


ميكانيكا الكم بعد الكشف عن موجات الجاذبية - علم الفلك

عندما تنظر إلى السماء ليلاً ، ترى منظرًا خاصًا جدًا للكون. ترى الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الضوء ، بأطوال موجية بصرية من أجسام مثل النجوم. إذا تمكنت عيناك من رؤية موجات الراديو ، وهي طول موجي آخر للضوء ، فسترى صورة مختلفة جدًا للكون. تختلف مصادر ضوء الراديو عن مصادر الضوء البصري. يريد علماء الفلك بناء جميع أنواع التلسكوبات المختلفة لرؤية النطاق الكامل للإشعاع الكهرومغناطيسي. يمكنك رؤية منظر مجرة ​​درب التبانة بجميع الأطوال الموجية المختلفة للضوء هنا (من هذه الصفحة) وقد تلاحظ أن المنظر الذي تحصل عليه مختلف تمامًا اعتمادًا على نوع التلسكوب الذي تقوم ببنائه.

طوال تاريخ علم الفلك تقريبًا ، رأينا الكون من خلال نافذة كهرومغناطيسية. لعقود عديدة ، كان علماء الفلك مهتمين برؤية الكون من خلال نافذة منفصلة تمامًا: نافذة الجاذبية. على عكس الموجات الكهرومغناطيسية ، فإن موجات الجاذبية هي تغيرات طفيفة جدًا في الزمكان والتي تجعل الأجسام تقترب أو تبتعد عن بعضها البعض بكميات ضئيلة. تم التنبؤ بها من خلال نظرية النسبية العامة لأينشتاين ، وبالتالي فإن الاكتشاف يوفر دليلًا إضافيًا يدعم هذه النظرية. تعتبر مصادر موجات الجاذبية غريبة للغاية ، وأبرزها جسمان مضغوطان مثل النجوم النيوترونية أو الثقوب السوداء في مدار قريب. أثناء دورانها حول بعضها البعض ، تنبعث موجات الجاذبية من النظام. نظرًا لأن الطاقة تغادر النظام ، تتقلص المدارات ، حتى يندمج الجسمان في النهاية في حدث عنيف. ستسمح لنا ملاحظات موجات الجاذبية بدراسة ديناميكيات هذه الأنظمة على العديد من مقاييس الأحجام المختلفة.

في 11 فبراير 2016 ، أعلن التعاون مع مرصد مقياس الجاذبية بالليزر (LIGO) عن اكتشاف موجات الجاذبية من ثنائي ثقب أسود. هذا هو أول اكتشاف ملموس لنظام ثقب أسود مزدوج. كان كلا الثقبين الأسودين من أكبر الثقوب السوداء ذات الكتلة النجمية التي تم اكتشافها على الإطلاق (فوق الأجسام الأخرى المرشحة). لاحظوا أن كتلة الجسم المندمج أقل من كتلة المجموع ، مما يعني أن الفرق في الكتلة قد تم تحويله إلى كمية هائلة من الطاقة التي فُقدت كموجات ثقالية في حدث الاندماج (بما يصل إلى 5000 مستعر أعظم!). قاموا أيضًا بقياس دوران الثقب الأسود النهائي ، ومعدل اندماج الثقوب السوداء في الكون المحلي ، وأكثر من ذلك. جاء الكثير من الفهم الجديد للفيزياء من حدث موجة جاذبية واحدة.

منذ ذلك الحين ، تم الإبلاغ عن العديد من اكتشافات موجات الجاذبية ، وأبرزها الحدث الأول الذي ينطوي على اندماج نجمين نيوترونيين في عام 2017. ولأول مرة ، قاس علماء الفيزياء الفلكية حدث موجة جاذبية كان له أيضًا نظير كهرومغناطيسي ، والذي لوحظ بواسطة عدة تلسكوبات على الأرض. يُعتقد أن عمليات اندماج النجوم النيوترونية هي من بين أكثر الأحداث نشاطًا في الكون ، حيث تطلق الطاقات التي يمكن أن تفسر الظروف الفيزيائية الفريدة حيث يتم إنتاج أثقل العناصر - مثل الذهب -. أدى اكتشاف ثنائي نجم نيوتروني إلى ظهور عصر مثير من متعدد الرسول علم الفلك، والتي ستجلب لنا بالتأكيد معرفة أكثر إثارة!

تم آخر تحديث لهذه الصفحة في 28 يناير 2019.

عن المؤلف

مايكل لام

مايكل لام طالب دراسات عليا بجامعة كورنيل وعضو في مرصد أمريكا الشمالية نانوهيرتز لتعاون موجات الجاذبية (NANOGrav). يعمل على تحسين دقة التوقيت لمجموعة من النجوم النابضة ذات الملي ثانية بهدف الكشف عن موجات الجاذبية ودراستها. أكمل شهادته الجامعية في جامعة كولجيت في علم الفلك والفيزياء وعلوم الكمبيوتر وهو في الأصل من مدينة نيويورك.


يطور الفيزيائيون طريقة لتحسين حساسية كاشف الموجات الثقالية

دكتوراه جامعة ولاية لويزيانا. أجرى خريج الفيزياء جوناثان كريبي تجربة جديدة مع علماء من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا وثورلابز لاستكشاف طريقة لتحسين حساسية أجهزة الكشف عن الموجات الثقالية. الائتمان: LSU

فتحت كاشفات الموجات الثقالية نافذة جديدة على الكون من خلال قياس التموجات في الزمكان الناتجة عن اصطدام الثقوب السوداء والنجوم النيوترونية ، لكنها في النهاية مقيدة بالتقلبات الكمومية التي يسببها الضوء المنعكس عن المرايا. دكتوراه LSU. أجرى خريج الفيزياء جوناثان كريبي وفريقه من باحثي LSU تجربة جديدة مع علماء من Caltech و Thorlabs لاستكشاف طريقة لإلغاء هذا الارتداد الكمي وتحسين حساسية الكاشف.

في ورقة جديدة في مراجعة البدنية Xقدم الباحثون طريقة لإزالة الارتداد الكمي في نظام مبسط باستخدام مرآة بحجم شعرة الإنسان وإظهار أن حركة المرآة تقل بالاتفاق مع التوقعات النظرية. تم دعم البحث من قبل مؤسسة العلوم الوطنية.

على الرغم من استخدام المرايا التي يبلغ وزنها 40 كيلوغرامًا لاكتشاف موجات الجاذبية العابرة ، فإن التقلبات الكمية للضوء تزعج موضع المرايا عند انعكاس الضوء. مع استمرار ازدياد حساسية كاشفات الموجات الثقالية مع الترقيات المتزايدة ، سيصبح هذا الارتداد الكمي حدًا أساسيًا لحساسية الكاشفات ، مما يعيق قدرتها على استخراج المعلومات الفيزيائية الفلكية من موجات الجاذبية.

قال كريب: "نقدم اختبارًا تجريبيًا لدراسة وإزالة الارتداد الكمي". "نجري قياسين لموضع جسم عياني تهيمن حركته على الارتداد الكمي ونبين أنه من خلال إجراء تغيير بسيط في مخطط القياس ، يمكننا إزالة التأثيرات الكمية من قياس الإزاحة. من خلال استغلال الارتباطات بين الطور و شدة المجال البصري ، يتم التخلص من الارتداد الكمي ".

Garrett Cole ، مدير التكنولوجيا في Thorlabs Crystalline Solutions (حصلت شركة Thorlabs Inc. العام الماضي على Crystalline Mirror Solutions) ، وقام فريقه ببناء المرايا الميكانيكية الدقيقة من طبقة فوقية متعددة الطبقات تتكون من GaAs و AlGaAs بالتناوب. قام مسبك خارجي ، IQE North Carolina ، بتنمية الهيكل البلوري بينما قام كول وفريقه ، بما في ذلك مهندسي العمليات باولا هيو وديفيد فولمان ، بتصنيع الأجهزة في منشأة التصنيع النانوي بجامعة كاليفورنيا سانتا باربرا.

قال LSU Ph.D: "من خلال إجراء هذا القياس على مرآة مرئية للعين المجردة - في درجة حرارة الغرفة وعلى ترددات مسموعة للأذن البشرية - فإننا نجعل التأثيرات الدقيقة لميكانيكا الكم أقرب إلى عالم التجربة البشرية". المرشح توري كولين. "من خلال تهدئة الهمس الكمومي ، يمكننا الآن الاستماع إلى النغمات الأكثر دقة للسمفونية الكونية."

قال توماس كوربيت ، الأستاذ المساعد في جامعة نيودلهي: "يأتي هذا البحث في الوقت المناسب بشكل خاص لأن مرصد موجات الجاذبية بالليزر أو LIGO ، أعلن الشهر الماضي في مجلة Nature أنهم شاهدوا تأثيرات ضوضاء ضغط الإشعاع الكمي في مرصد LIGO Livingston". قسم الفيزياء والفلك LSU.

قاد الجهد وراء تلك الورقة ، "الارتباطات الكمية بين الضوء ومرايا كتلة الكيلوغرام في LIGO" ، نيرجيس مافالفالا ، عميد كلية العلوم بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وكذلك الباحث ما بعد الدكتوراه Haocun Yu وعالم الأبحاث Lee McCuller ، وكلاهما في معهد MIT Kavli للفيزياء الفلكية وأبحاث الفضاء.

قال مافالفالا: "ضجيج ضغط الإشعاع الكمي بدأ بالفعل في الخروج من الضوضاء الأرضية في ليجو المتقدم ، وبعد فترة طويلة ، سيكون مصدرًا محدودًا للضوضاء في كاشفات GW". "الأرصاد الفيزيائية الفلكية الأعمق لن تكون ممكنة إلا إذا تمكنا من تقليلها ، وهذه النتيجة الجميلة من مجموعة Corbitt في LSU توضح تقنية للقيام بذلك بالضبط."


تجربة الكم على المنضدة - أصغر بـ 4000 مرة من الأجهزة الحالية - يمكن أن تكشف عن موجات الجاذبية

تنبأت نظرية النسبية العامة لأينشتاين بأن موجات الجاذبية هي تموجات في الزمان والمكان ناتجة عن حركات معينة لأجسام ضخمة. إنها مهمة للدراسة لأنها تسمح لنا باكتشاف الأحداث في الكون التي من شأنها أن تترك القليل من الضوء أو لا تترك أي ضوء يمكن ملاحظته ، مثل تصادمات الثقب الأسود.

في عام 2015 ، قام مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) بالتعاون مع برج العذراء بعمل أول ملاحظة مباشرة لموجات الجاذبية. انبعثت الموجات من تصادم عمره 1.3 مليار عام بين ثقبين أسودين فائقين وتم اكتشافهما باستخدام مقاييس تداخل بصري بطول 4 كيلومترات حيث تسبب الحدث في حدوث تموجات في زمكان الأرض و # 8217.

اقترح باحثون من UCL وجامعة جرونينجن وجامعة وارويك كاشفًا يعتمد على تقنية الكم أصغر بـ 4000 مرة من الكاشفات المستخدمة حاليًا ويمكنه اكتشاف موجات الجاذبية متوسطة التردد.

الدراسة ، التي نشرت اليوم في مجلة جديدة للفيزياء، يوضح بالتفصيل كيف يمكن استخدام أحدث التقنيات الكمومية والتقنيات التجريبية لبناء كاشف قادر على قياس ومقارنة قوة الجاذبية في موقعين في نفس الوقت.

ستعمل باستخدام بلورات الماس بمقياس النانو التي تزن 10 ^ -17 كجم. سيتم وضع البلورات في تراكب مكاني كمي باستخدام قياس التداخل Stern-Gerlach. التراكب المكاني هو حالة كمومية حيث توجد البلورات في مكانين مختلفين في نفس الوقت.

تسمح ميكانيكا الكم بأن يتم تحديد موقع الجسم ، مهما كان كبيرًا ، مكانيًا في مكانين مختلفين في وقت واحد. على الرغم من كونه غير بديهي ويتعارض بشكل مباشر مع تجربتنا اليومية ، فقد تم التحقق من مبدأ التراكب لميكانيكا الكم تجريبياً باستخدام النيوترونات والإلكترونات والأيونات والجزيئات.

قال المؤلف المراسل ريان مارشمان (UCL Physics & amp Astronomy and UCLQ): “إن مستشعرات الجاذبية الكمومية موجودة بالفعل باستخدام مبدأ التراكب. تُستخدم هذه المستشعرات لقياس الجاذبية النيوتونية ولجعل أجهزة قياس دقيقة بشكل لا يصدق. الكتل الكمومية المستخدمة من قبل مستشعرات الجاذبية الكمومية الحالية أصغر بكثير مثل الذرات ، لكن العمل التجريبي يتقدم في تقنيات قياس التداخل الجديدة اللازمة لجعل جهازنا يعمل على دراسة موجات الجاذبية.

"وجدنا أن الكاشف الخاص بنا يمكنه استكشاف نطاق مختلف من ترددات موجات الجاذبية مقارنة بـ LIGO. قد تكون هذه الترددات متاحة فقط إذا قام العلماء ببناء أجهزة كشف كبيرة في الفضاء بخطوط أساسية يبلغ حجمها مئات الآلاف من الكيلومترات ".

يتصور الفريق أن الكاشف الأصغر الذي اقترحه يمكن استخدامه لبناء شبكة من أجهزة الكشف التي ستكون قادرة على التقاط إشارات موجات الجاذبية من ضوضاء الخلفية. قد تكون هذه الشبكة مفيدة أيضًا في إعطاء معلومات دقيقة عن موقع الأجسام التي تخلق موجات الجاذبية.

قال المؤلف المشارك ، البروفيسور Sougato Bose (UCL Physics & amp Astronomy and UCLQ): "في حين أن المستشعر الذي اقترحناه طموح في نطاقه ، لا يبدو أن هناك أي عقبة أساسية أو لا يمكن التغلب عليها أمام إنشائه باستخدام التيار والقريب- تقنيات المستقبل.

"لقد تم تحقيق جميع العناصر التقنية لصنع هذا الكاشف بشكل فردي في تجارب مختلفة حول العالم: القوى المطلوبة ، ونوعية الفراغ المطلوب ، وطريقة وضع البلورات في حالة تراكب. تكمن الصعوبة في تجميعها معًا والتأكد من بقاء التراكب كما هو ".

الخطوة التالية هي أن يتعاون الفريق مع التجريبيين لبدء بناء نماذج أولية للجهاز. الأهم من ذلك ، أن نفس فئة أجهزة الكشف يمكن أن تساهم أيضًا في اكتشاف ما إذا كانت الجاذبية قوة كمومية ، كما هو موضح في العمل الأخير في UCL وفي أماكن أخرى.

قال ريان مارشمان: "في الواقع كان طموحنا الأولي هو تطوير الجهاز لاستكشاف الجاذبية غير الكلاسيكية. ولكن نظرًا لأنه سيكون جهدًا كبيرًا لتحقيق مثل هذا الجهاز ، فقد اعتقدنا أنه من المهم حقًا فحص فعالية مثل هذا الجهاز أيضًا لقياس الجاذبية الكلاسيكية الضعيفة جدًا مثل موجات الجاذبية واكتشفنا أنها واعدة! "

المرجع: & # 8220 التداخل المجهري للمتر والانحناء (MIMAC) & amp ؛ اكتشاف الموجات الثقالية & # 8221 بقلم رايان جيمس مارشمان ، أنوبام مازومدار ، جافين مورلي ، بيتر إف باركر ، ستيفن هوكسترا وسوغاتو بوز ، تم قبوله في 23 يونيو 2020 ، مجلة جديدة للفيزياء.
DOI: 10.1088 / 1367-2630 / ab9f6c

تم تمويل العمل من قبل المنظمة الهولندية للبحث العلمي والجمعية الملكية ومجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية.


قد تؤكد أصداء موجات الجاذبية فرضية ستيفن هوكينغ عن الثقوب السوداء الكمومية

الائتمان: CC0 المجال العام

تشير أصداء إشارات موجات الجاذبية إلى أن أفق الحدث للثقب الأسود قد يكون أكثر تعقيدًا مما يعتقده العلماء حاليًا.

أفاد بحث من جامعة واترلو عن أول اكتشاف مؤقت لهذه الأصداء ، بسبب "الزغب" الكمي المجهري الذي يحيط بالثقوب السوداء المشكلة حديثًا.

موجات الجاذبية هي تموجات في نسيج الزمكان ، ناتجة عن اصطدام أجسام ضخمة ومضغوطة في الفضاء ، مثل الثقوب السوداء أو النجوم النيوترونية.

أوضح نيايش أفشوردي ، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في واترلو: "وفقًا لنظرية أينشتاين للنسبية العامة ، لا يمكن لأي شيء الهروب من جاذبية الثقب الأسود بمجرد تجاوزه لنقطة اللاعودة ، والمعروفة باسم أفق الحدث". "كان هذا فهم العلماء لفترة طويلة حتى استخدم ستيفن هوكينج ميكانيكا الكم للتنبؤ بأن الجسيمات الكمومية سوف تتسرب ببطء من الثقوب السوداء ، والتي نسميها الآن إشعاع هوكينغ.

قال أفشوردي: "لم يتمكن العلماء تجريبيًا من تحديد ما إذا كانت أي مادة تفلت من الثقوب السوداء حتى تم الكشف مؤخرًا عن موجات الجاذبية". "إذا كان الزغب الكمومي المسؤول عن إشعاع هوكينغ موجودًا حول الثقوب السوداء ، فإن موجات الجاذبية يمكن أن ترتد عنها ، مما قد يخلق إشارات موجات ثقالية أصغر بعد حدث الاصطدام التثاقلي الرئيسي ، على غرار الأصداء المتكررة.

أفشوردي وشريكه في التأليف جاهد عابدي من معهد ماكس بلانك فور Gravitationphysik في ألمانيا ، قد أبلغوا عن النتائج الأولية لهذه الأصداء المتكررة ، مما يوفر دليلًا تجريبيًا على أن الثقوب السوداء قد تكون مختلفة جذريًا عما تنبأت به نظرية النسبية لأينشتاين ، وتفتقر إلى آفاق الحدث. .

استخدموا بيانات موجات الجاذبية من الملاحظة الأولى لتصادم نجم نيوتروني ، تم تسجيلها بواسطة كاشفات موجات الجاذبية LIGO / Virgo.

تتطابق الأصداء التي لاحظها أفشوردي وعبيدي مع أصداء المحاكاة التي تنبأت بها نماذج الثقوب السوداء التي تفسر تأثيرات ميكانيكا الكم وإشعاع هوكينغ.

قال أفشوردي: "لا تزال نتائجنا مؤقتة لأن هناك احتمال ضئيل للغاية أن يكون ما نراه ناتجًا عن ضوضاء عشوائية في أجهزة الكشف ، لكن هذه الفرصة تصبح أقل احتمالًا لأننا نجد المزيد من الأمثلة". "الآن بعد أن عرف العلماء ما نبحث عنه ، يمكننا البحث عن المزيد من الأمثلة ، والحصول على تأكيد أقوى بكثير لهذه الإشارات. مثل هذا التأكيد سيكون أول مسبار مباشر للبنية الكمومية للزمكان."

نُشرت الدراسة ، "أصداء من الهاوية: بقايا ثقب أسود شديد الدوران للاندماج الثنائي للنجم النيوتروني GW170817" في مجلة علم الكونيات وفيزياء الجسيمات الفلكية في نوفمبر ، وحصل على جائزة بوخالتر في علم الكونيات بالمركز الأول هذا الشهر.


ميكانيكا الكم بعد الكشف عن موجات الجاذبية - علم الفلك

وجد العلماء أدلة على وجود موجات الجاذبية ودعم التضخم الكوني. موجات الجاذبية هي تنبؤ لنظرية النسبية العامة لأينشتاين ، والتي تنص على أن الكتلة والطاقة (وهما متكافئان ، كما نعلم من ه = مك 2) يمكن أن تشوه الزمكان. يمكن اعتبار موجات الجاذبية على أنها موجات في نسيج الزمكان ، والتي تمد وتضغط في نفس الوقت على مناطق مختلفة من الزمكان. الأجسام الضخمة ، مثل الثقوب السوداء ، تنحني الزمكان حولها ، وعندما تتحرك الكائنات فإنها تخلق تموجات في الزمكان. تخيل بطة تسبح في بحيرة: وهي تتحرك للأمام تدفع الماء بعيدًا عنها وتخلق استيقاظًا خلفها. هذا ما تفعله الأجسام الضخمة عندما تتحرك في الفضاء. النجوم في ثنائية تدور حول بعضها البعض ستخلق تموجات في الزمكان تنتشر للخارج كموجات ثقالية.

يتم إنشاء التموجات في الزمكان عن طريق تحريك الكتل ، وفي هذه الحالة ثنائي ثقب أسود (Credit: T. Carnahan، NASA / GSFC)

الطاقة & # 8211 تعادل الكتلة & # 8211 يمكن أيضًا أن تحفز موجات الجاذبية. إذن ما الذي خلق موجات الجاذبية التي ادعى العلماء اكتشافها؟ الجواب هو تضخم اقتصادي. مباشرة بعد الانفجار العظيم ، عندما كان كوننا صغيرًا جدًا وحارًا جدًا ، لم تكن المادة موجودة وكل ما كان موجودًا هو الطاقة. خلال هذا الوقت ، كانت القوى الأساسية الأربعة - الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوى القوية والضعيفة # 8211 - قوة واحدة موحدة. ومع ذلك ، سرعان ما بدأ الكون يبرد ، مما سمح للقوى الأساسية بالانفصال إلى مكونات فردية. بدأت هذه الركلة في تفاعل متسلسل أدى إلى تضخم الكون من 6 × 10 -28 مترًا إلى متر واحد تقريبًا في أقل من ثانية! أثناء التضخم الكوني ، تم إطلاق كميات هائلة من الطاقة في الزمكان والتي من شأنها أن تخلق موجات الجاذبية. لذا فإن اكتشاف موجات الجاذبية البدائية هذه يدعم فكرة أن الكون قد نشأ عن طريق الانفجار العظيم ثم توسع من خلال التضخم الكوني.

كيف يكتشف علماء الفلك موجات الجاذبية البدائية التي نشأت في فجر الزمن ، منذ حوالي 13.8 مليار سنة؟ نظرًا لأن الكون يستمر في التوسع ، وإن كان ببطء شديد مقارنة بفترة التضخم الكوني ، فإن توقيع موجات الجاذبية سيكون أضعف من أن يتم اكتشافه في الكون القريب. ومع ذلك ، فإن اكتشاف الخلفية الكونية الميكروية (CMB) قد أعطانا طابعًا زمنيًا للكون البعيد. بعد حوالي 372000 عام من الانفجار العظيم ، كان الكون باردًا بدرجة كافية بحيث انفصلت المادة عن الإشعاع. قبل هذا الوقت ، كان الكون معتمًا للإشعاع ولم يتمكن الضوء من الهروب. يمكن اعتبار الخلفية الكونية الميكروية على أنها أبعد جزء من الكون يمكننا ملاحظته ، عندما كان الكون أولًا لأن الضوء والشفافية يمكنهما السفر بحرية عبر الفضاء.

إذا كانت موجات الجاذبية موجودة في بدايات الكون ، لكانت قد تركت نمطًا مميزًا على الخلفية الكونية الميكروية لأنها تغير حرفياً الزمكان الذي تتحرك فيه الفوتونات. عندما تنتشر موجات الجاذبية عبر الزمكان ، فإنها ستكثف الزمكان في اتجاه واحد ، مما يجعلها تبدو أكثر سخونة قليلاً ، وتمدد الزمكان في اتجاه آخر ، مما يجعلها تبدو أكثر برودة قليلاً. هذه الاختلافات في درجات الحرارة صغيرة جدًا جدًا ، لكن يمكن اكتشافها. عندما تتحرك الفوتونات عبر الزمكان المموج ، فإنها ستشتت في الاتجاه المفضل ، مما يؤدي إلى الاستقطاب. يسمى نوع الاستقطاب الذي كان من الممكن أن يكون ناتجًا عن موجات الجاذبية البدائية استقطاب ب-وضع، مما ينتج عنه نمط مجعد يشبه الدوامة.

نمط الاستقطاب B-mode الذي يظهر في الخلفية الكونية الميكروية كما تم قياسه بواسطة أداة BICEP2. تُظهر الألوان كثافة الدوران والاتجاه (الأحمر في اتجاه عقارب الساعة ، والأزرق عكس اتجاه عقارب الساعة) وتظهر الخطوط قوة الاستقطاب واتجاهه. (الائتمان: تعاون BICEP2)

لاكتشاف الإشارة الخافتة جدًا لاستقطاب الوضع B في الخلفية الكونية الميكروية ، يتطلب دقة تبلغ واحدًا على عشرة ملايين من كلفن لقياس التقلبات الصغيرة في درجات الحرارة. استخدم علماء الفيزياء الفلكية من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية ، بقيادة جون كوفاك ، أداة BICEP2 (تصوير الخلفية للاستقطاب الكوني خارج المجرة) في القطب الجنوبي لدراسة & # 8220 الثقب الجنوبي & # 8221 ، رقعة من السماء خالية من الأشكال الأخرى للانبعاثات ، لقياس التغيرات في درجات الحرارة في الخلفية الكونية الميكروية بدقة عالية للغاية. وما وجدوه كان مذهلاً & # 8211 توقيعًا في الخلفية الكونية الميكروية المتوافقة مع النمط الذي خلفته موجات الجاذبية البدائية.

بالطبع تم إجراء قياسات إضافية لتأكيد هذا الاكتشاف الرائد. قدمت مصفوفة كيك ، الواقعة أيضًا في القطب الجنوبي ، بيانات لها نفس الآثار مثل BICEP2 ، وستستمر في العمل لمدة عامين آخرين. سيتم استخدام تلسكوب بلانك ، الذي قدم أكثر القياسات دقة لخلفية الموجات الدقيقة الكونية حتى الآن ، لتوفير خريطة أكثر شمولاً لكل السماء لاستقطاب الوضع B.

إذن ما هي عواقب اكتشاف موجات الجاذبية البدائية وتأكيد التضخم الكوني؟ يحل التضخم قضيتين رئيسيتين نشأتا عن نظرية الانفجار العظيم. أولاً ، نعلم أنه في أي اتجاه ترصده ، يكون الزمكان مسطحًا. ثانيًا ، إذا قمت بقياس درجة حرارة الفضاء حيث لا توجد مادة ، فهي متناحرة. لكن نظرية الانفجار العظيم ليس لها تفسير لماذا يتطور الكون على هذا النحو. طور آلان جوث ، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، نظرية التضخم الكوني لفهم سبب عدم وجود الجسيمات التي كان ينبغي إنشاؤها أثناء الانفجار العظيم اليوم ، لكن نظريته تحل أيضًا هاتين المشكلتين الأخريين. في الأساس ، إذا بدأ الكون صغيرا جدا ثم نما عملاقًا بسرعة كبيرة ، فقد تحدث عدة أشياء. أولاً ، إذا كان الكون صغيرًا بدرجة كافية ، فستتوازن درجة الحرارة وتكون في حالة اتزان ، وهكذا بمجرد أن يتمدد الكون ستكون درجة الحرارة نفسها في كل مكان. وإذا توسع الكون بشكل كافٍ خلال فترة ما قبل التضخم الكوني ، فسوف يزيل أي انحناء في الزمكان.

سيكون تأكيد موجات الجاذبية البدائية أيضًا أول دليل تجريبي على أن ميكانيكا الكم والجاذبية مرتبطان في الواقع. هذا لأن جزءًا مما بدأ التضخم الكوني كان وجود تقلبات كمية. هذه التقلبات عبارة عن موجات صغيرة جدًا تنتشر عبر الفضاء الفارغ وتشعل التضخم الكوني. إذا كان من الممكن الربط بين ميكانيكا الكم والجاذبية ، فلا يمكن استبعاد نظرية الجاذبية الكمية ويمكن استخدامها لشرح الظواهر المتطرفة الأخرى في كوننا ، مثل الفيزياء التي تحكم مراكز الثقوب السوداء.


ميكانيكا الكم بعد الكشف عن موجات الجاذبية - علم الفلك

تركز هذه الورقة على الكاشفات التالية لعلم فلك الموجات الثقالية والتي ستكون مطلوبة بعد أن تكمل الكواشف الأرضية الحالية ملاحظاتها الأولية ، وربما حققت أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية. ستحتاج الكاشفات التالية إلى حساسية أكبر ، مع تمكين المجموعة العالمية من الكاشفات من تحسين دقة الزوايا للسماح بتوطين مصادر الإشارة. الطائفة. يبدأ الجزء الأول من هذه الورقة بمراجعة مقترحات الكاشفات الأرضية التالية ، ويقدم تحليلاً لحساسية كاشف بطول 8 كيلومترات ، والذي تم اقتراحه كوسيلة آمنة وفعالة من حيث التكلفة لتحقيق تحسن في الحساسية بمقدار 4 أضعاف. تم التأكيد على الفوائد العلمية لإنشاء زوج من هذه الكواشف في الصين وأستراليا. الطائفة. يناقش 2 من هذه الورقة أنظمة التعليق عالية الأداء لكتل ​​الاختبار التي ستكون مكونًا أساسيًا لأجهزة الكشف المستقبلية ، أثناء الطائفة. 3 يناقش حلول مشكلة الضوضاء النيوتونية التي تنشأ من التقلبات في قوى التدرج الجاذبي التي تعمل على كتل الاختبار. لا يمكن حماية اضطرابات الجاذبية هذه ، ووضع حدود لحساسية التردد المنخفض ما لم يتم قياسها وقمعها. طوائف. يتناول الشكلان 4 و 5 التقنيات التشغيلية الحرجة التي ستكون قضايا مستمرة في أجهزة الكشف المستقبلية. الطائفة. 4 يعالج تصميم أنظمة التعويض الحراري اللازمة في جميع مقاييس التداخل عالية القدرة الضوئية العاملة في درجة حرارة الغرفة. يتم تناول السيطرة البارامترية على عدم الاستقرار في الطائفة. 5. فقط مؤخرًا ثبت حدوثها في LIGO المتقدم ، تجلب ظاهرة عدم الاستقرار البارامترية مخاطر وفرصًا لأجهزة الكشف المستقبلية. سيأتي المسار إلى التحسينات المستقبلية للكاشفات من تقنيات القياس الكمي. الطائفة. 6 يركز على استخدام الأجهزة البصرية للحصول على حساسية محسنة ، بينما الطائفة. 7 يستعرض مجموعة من خيارات القياس الكمي.


هل يستطيع LIGO اختبار الجاذبية الكمية؟

حقوق الصورة: SXS ، مشروع محاكاة أزمنة الفضاء المتطرفة (SXS) (http://www.black-holes.org).

Tldr: غير محتمل ، لكن ليس مستحيلاً.

تتنبأ نظرية النسبية العامة لأينشتاين بأن الكتل المتسارعة تصدر موجات ثقالية. وفي الأسبوع الماضي ، بعد قرن من إصدار هذا التوقع ، أعلن تعاون LIGO عن أول اكتشاف مباشر لموجات الجاذبية. لكن هذه كانت البداية فقط - نتوقع المزيد من الأحداث ، وستضع نظرية أينشتاين على المحك بدقة غير مسبوقة. ما الذي يعنيه هذا لجهود الفيزيائيين لإيجاد نظرية الجاذبية الكمومية ، إذا كان هناك أي شيء ، - التركيبة المفقودة من النسبية العامة مع ميكانيكا الكم؟

ائتمان بركه: T. Pyle / Caltech / MIT / LIGO Lab.

النسبية العامة هي نظرية غير كمية ، وقد تم التنبؤ بموجات الجاذبية بشكل مستقل عن محاولات إيجاد نسخة متسقة من الجاذبية. وهكذا يمكن تفسير وجود موجات الجاذبية بدون الجاذبية الكمومية. من المتوقع بشكل عام ، مع ذلك ، أن تؤدي الجاذبية الكمية إلى ظهور "الجرافيتونات" التي هي موجات ثقالية كمية. الجرافيتون هو جسيم مرتبط بموجات الجاذبية بنفس الطريقة التي يرتبط بها الفوتون بالموجات الكهرومغناطيسية - الجسيم هو جزء صغير من الموجة مع طاقة تتناسب مع تردد الموجة. The properties of the waves themselves in the context of general relativity give us all sorts of useful information about the quantum version of the graviton particle: it must be massless, it must have a spin of 2 (as opposed to 1 for photons, ½ for electrons and 0 for the Higgs boson), and it must propagate at the speed of light.

A gravitational wave consists of a huge number of gravitons, but measuring the individual constituents is extremely difficult and well beyond our experimental capabilities. LIGO doesn’t resolve single gravitons for the same reason a TV antenna doesn’t resolve single photons: if there is a signal, the detector is swamped with particles and not sensitive to the tiny, discrete steps in energy. If gravitons exist, LIGO detects them, but it cannot distinguish the huge amount of gravitons from an unquantized gravitational wave. Therefore, LIGO cannot not tell us anything about the existence of gravitons.

As to whether it can tell us something about quantum gravity, I can’t tell you with certainty, because we don’t have a theory of quantum gravity. So the answer to this question depends on what you believe we know about quantum gravity.

What pretty much everybody agrees on is that quantum gravitational effects should become large in regions of strong space-time curvature. But in the quantum gravity community, “strong curvature” means the curvature towards the center of black holes, not the curvature at the horizon, which is comparably weak. A black hole merger, like the one seen by LIGO, does not probe what happens in the black hole’s center, and therefore it does not test strong quantum gravitational effects.

Image Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab, of the first gravitational wave signal as seen by both LIGO . [+] detectors.

It has been argued on theoretical grounds however, that quantum gravitational effects might not be small close by black hole horizons, though such arguments are under much debate. Ideas like black hole fuzzballs, firewalls, or black hole hair affect the black hole horizon. And in such scenarios the quantum gravitational fluctuations could leave an imprint on the emission spectrum which can be looked for with LIGO and other upcoming gravitational wave experiments.

In a brief note on the arXiv last week , Steve Giddings from UC Santa Barbara offers some general considerations on this question. He argues that horizon-sized deviations from the regular black hole geometry should generically lead to a gravitational wave signal less regular and with a higher power than General Relativity predicts. I am sure quantitative predictions will follow soon, now that the data is coming in.

More generally, any deviation from General Relativity could give us a hint for how to quantize gravity. And since gravitational waves test grounds that we previously simply couldn’t access, the measurements hold the promise of revealing new facts that will lead to new insights.

The dynamics of a black hole merger and the way gravitational waves travel is sensitive to even smallest deviations from general relativity, like for example violations of the equivalence principle or the possibility that the graviton is not exactly massless. Bimetric gravity, higher-order modifications of general relativity, additional long-range interactions, or the gravitational aether – all these models will have to pass additional tests now. Undoubtedly, some will be winners (most likely where the disagreements from relativity's predictions are too small to rule out), and some will be losers. And maybe one of them will turn out to supersede Einstein’s masterwork.

Aside from black hole mergers, LIGO might detect signals from strange sources that don’t fit within the standard theories, for example cosmic strings . Cosmic strings are stable, macroscopic, one-dimensional objects of high energy density that might have been created in the early universe and could still be around today.

Images credit: Andrey Kravtsov (cosmological simulation, L) B. Allen & E.P. Shellard (simulation in . [+] a cosmic string Universe, R), via http://www.ctc.cam.ac.uk/outreach/origins/cosmic_structures_four.php.

These cosmic strings can form cusps where they either intersect or loop back onto themselves, which causes them to emit bursts of gravitational waves. If these objects are around today, this would tell us that the conditions in the early universe conditions must have allowed their formation – it would thus test a regime of very high energy where the physics of quantum gravity or grand unification played a role. Cosmic strings, thus, can hold information about fundamental questions in physics. LIGO has previously searched for cosmic strings , and didn’t find any evidence for their presence. But the increased sensitivity after last year’s update now allows us a more precise search for these objects.

Image Credit: NASA Goddard Space Flight Center.

Finally it should be mentioned that the LIGO gravitational wave interferometer measures only a specific range of wavelengths, and that other wavelengths contain other information about the structures in the universe. Especially interesting for quantum gravity are the primordial gravitational waves that were around already in the early universe. These should once have had a distinctly quantum behavior and thus detecting them would go a long way to understanding what was going on back then. As the 2014 BICEP2 announcement-followed-by-recantation demonstrated, however , measuring primordial gravitational waves is really hard. But it’s early days in gravitational wave astronomy, and you can rest assured we’ll try harder and have better data in the coming years.

In summary, there are no strong reasons why quantum gravitational effects should become measurable with gravitational wave detectors in the near future. There is, however, always the possibility that new observational methods will bring surprises. So don’t get your hopes up too high - but don’t keep them from flying either.


Physicists Quiet the Quantum Whisper to Improve Gravitational Wave Detector Sensitivity

Gravitational wave detectors have opened a new window to the universe by measuring the ripples in spacetime produced by colliding black holes and neutron stars, but they are ultimately limited by quantum fluctuations induced by light reflecting off of mirrors. LSU Ph.D. physics alumnus Jonathan Cripe, postdoctorsl fellow, NIST, and his team of LSU researchers have conducted a new experiment with scientists from Caltech and Thorlabs to explore a way to cancel this quantum backaction and improve detector sensitivity.

In a new paper in Physical Review X, the investigators present a method for removing quantum backaction in a simplified system using a mirror the size of a human hair and show the motion of the mirror is reduced in agreement with theoretical predictions. The research was supported by the National Science Foundation.

Louisiana State University Ph.D. physics alumnus Jonathan Cripe has conducted a new experiment with scientists from Caltech and Thorlabs to explore a way to improve gravitational wave detectors’ sensitivity. Credit: LSU

Despite using 40-kilogram mirrors for detecting passing gravitational waves, quantum fluctuations of light disturb the position of the mirrors when the light is reflected. As gravitational wave detectors continue to grow more sensitive with incremental upgrades, this quantum backaction will become a fundamental limit to the detectors’ sensitivity, hampering their ability to extract astrophysical information from gravitational waves.

LSU Associate Professor Thomas Corbitt. Credit: Elsa Hahne / LSU ORED

“We present an experimental testbed for studying and eliminating quantum backaction,” Cripe said. “We perform two measurements of the position of a macroscopic object whose motion is dominated by quantum backaction and show that by making a simple change in the measurement scheme, we can remove the quantum effects from the displacement measurement. By exploiting correlations between the phase and intensity of an optical field, quantum backaction is eliminated.”

LSU Graduate Student Torrey Cullen. Credit: Paige Whittington / LSU Physics & Astronomy

Garrett Cole, technology manager at Thorlabs Crystalline Solutions (Crystalline Mirror Solutions was acquired by Thorlabs Inc. last year), and his team constructed the micromechanical mirrors from an epitaxial multilayer consisting of alternating GaAs and AlGaAs. An outside foundry, IQE North Carolina, grew the crystal structure while Cole and his team, including process engineers Paula Heu and David Follman, manufactured the devices at the University of California Santa Barbara nanofabrication facility. “By performing this measurement on a mirror visible to the naked eye—at room temperature and at frequencies audible to the human ear—we bring the subtle effects of quantum mechanics closer to the realm of human experience,” LSU Ph.D. candidate Torrey Cullen said. By quieting the quantum whisper, we can now listen to the more subtle notes of the cosmic symphony.”

“This research is especially timely because the Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, or LIGO, just announced last month in Nature that they have seen the effects of quantum radiation pressure noise at the LIGO Livingston observatory,” Thomas Corbitt, associate professor in the LSU Department of Physics & Astronomy, said.

The effort behind that paper, “Quantum correlations between light and the kilogram-mass mirrors of LIGO,” has been led by Nergis Mavalvala, dean of the MIT School of Science, as well as postdoctoral scholar Haocun Yu and research scientist Lee McCuller, both at the MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research.

“Quantum radiation pressure noise is already poking out of the noise floor in Advanced LIGO, and before long, it will be a limiting noise source in GW detectors,” Mavalvala said. “Deeper astrophysical observations will only be possible if we can reduce it, and this beautiful result from the Corbitt group at LSU demonstrates a technique for doing just that.”

Reference: “Quantum Backaction Cancellation in the Audio Band” by Jonathan Cripe, Torrey Cullen, Yanbei Chen, Paula Heu, David Follman, Garrett D. Cole and Thomas Corbitt, 23 September 2020, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.031065


A stepping stone for measuring quantum gravity

A group of theoretical physicists, including two physicists from the University of Groningen, have proposed a 'table-top' device that could measure gravity waves. However, their actual aim is to answer one of the biggest questions in physics: is gravity a quantum phenomenon? The key element for the device is the quantum superposition of large objects. Their design was published in New Journal of Physics on 6 August.

Already in the preprint stage, the paper that was written by Ryan J. Marshman, Peter F. Barker and Sougato Bose (University College London, UK), Gavin W. Morley (University of Warwick, UK) and Anupam Mazumdar and Steven Hoekstra (University of Groningen, the Netherlands) was hailed as a new method to measure gravity waves. Instead of the current kilometres-sized LIGO and VIRGO detectors, the physicists working in the UK and in the Netherlands proposed a table-top detector. This device would be sensitive to lower frequencies than the current detectors and it would be easy to point them to specific parts of the sky -- in contrast, the current detectors only see a fixed part.

The key part of the device is a tiny diamond, just a few nanometres in size. 'In this diamond, one of the carbons is replaced by a nitrogen atom,' explains assistant professor Anupam Mazumdar. This atom introduces a free space in the valence band, which can be filled with an extra electron. Quantum theory says that when the electron is irradiated with laser light, it can either absorb or not absorb the photon energy. Absorbing the energy would alter the electron's spin, a magnetic moment that can be either up or down.

'Just like Schrödinger's cat, which is dead and alive at the same time, this electron spin does and does not absorb the photon energy, so that its spin is both up and down.' This phenomenon is called quantum superposition. Since the electron is part of the diamond, the entire object -- with a mass of about 10- 17 kilograms, which is huge for quantum phenomena -- is in quantum superposition.

'We have a diamond that has up spin and down spin at the same time,' explains Mazumdar. By applying a magnetic field, it is possible to separate the two quantum states. When these quantum states are brought together again by turning off the magnetic field, they will create an interference pattern. 'The nature of this interference depends on the distance the two separate quantum states have travelled. And this can be used to measure gravity waves.' These waves are contractions of space, so that their passing affects the distance between the two separated states and thus the interference pattern.

Missing link

The paper shows that this set-up could indeed detect gravity waves. But that is not what Mazumdar and his colleagues are really interested in. 'A system in which we can obtain quantum superposition of a mesoscopic object such as the diamond, and for a reasonable length of time, would be a real breakthrough,' Mazumdar says. 'It would allow all kinds of measurements to be taken, and one of those could be used to determine whether gravity itself is a quantum phenomenon.' Quantum gravity has been the 'missing link' in physics for nearly a century.

In a paper published in 2017 (1), Mazumdar and his long-time collaborator Sougato Bose, together with several colleagues, suggested that entanglement between two mesoscopic objects could be used to find out whether gravity itself is a quantum phenomenon. Simply put: entanglement is a quantum phenomenon, so when two objects that interact only through gravity show entanglement, this proves that gravity is a quantum phenomenon.

'In our latest paper, we describe how to create mesoscopic quantum superposition. With two of these systems, we were able to show entanglement.' However, as they noticed during their work, the single system would be sensitive to gravitational waves and this became the focus of the New Journal of Physics paper.

'The technology to build these systems could take a few decades to develop,' Mazumdar acknowledges. A vacuum of 10- 15 Pascal is required, while the operating temperature should be as low as possible, near absolute zero (-273 °C). 'Technology to achieve either high vacuum or low temperature is available, but we need the technology to achieve both at the same time.' Furthermore, the magnetic field must be constant. 'Any fluctuation would collapse the quantum superposition.'

The reward for creating this kind of system would be great. 'It could be used for all kinds of measurements in fields such as ultra-low energy physics or quantum computing, for example.' And it could, of course, be used to determine whether gravity is a quantum phenomenon. Mazumdar, Bose and colleagues have just uploaded another preprint (2) in which they describe how this experiment could be performed. 'To ensure that the only interaction between the two entangled objects is the gravity between them, the experiment should be done in free fall,' explains Mazumdar. With visible enthusiasm, he describes a one-kilometre long drop shaft in a deep mine, to reduce interference. Two entangled mesoscopic quantum systems should be dropped repeatedly to obtain a reliable measurement. 'I think this can be done in my lifetime. And the result would finally resolve one of the biggest questions in physics.'

(1) Spin Sougato Bose et al: Entanglement Witness for Quantum Gravity. Phys Rev Letters 2017, DOI 10.1103/PhysRevLett.119.240401


شاهد الفيديو: تحقق نظريه اينشتاين: بعد ستون سنه من وفاته, العلماء يتحققون من نظريه موجات الجاذبيه (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Kazibei

    نعم ، مقال مثير للاهتمام.

  2. Hashim

    في الواقع ، وكيف لم أفكر في الأمر من قبل

  3. Cinneididh

    بشكل ملحوظ ، هذه هي العبارة المضحكة

  4. Zameel

    أعتقد أنني أرتكب أخطاء. دعونا نحاول مناقشة هذا. اكتب لي في PM ، وتحدث.

  5. Pekar

    تماما ، أنا وفكرت.



اكتب رسالة