Коллаборация LIGO впервые напрямую измерила влияние квантовых флуктуаций на макроскопический объект — зеркало весом 40 килограмм. Работа опубликована в журнале Nature.
Одно из самых удивительных предсказаний квантовой теории поля состоит в том, что вакуум пространства не пустой, а наполнен виртуальными частицами, которые рождаются и умирают в связи с квантовым флуктуациями. Несмотря на то, что эти флуктуации очень слабые, ученые могут измерить их влияние на поля или маленькие объекты. Однако, в повседневной жизни, имея дело с макроскопическими системами, мы не способны почувствовать напрямую влияние квантовых флуктуаций.
Обсерватория LIGO, где были впервые задетектированы гравитационные волны, является одной из самых точных установок в мире. Обсерватория состоит из двух огромных детекторов, которые представляют собой четырехкилометровые интерферометры с зеркалами весом 40 килограмм. В процессе измерения гравитационных волн лазерный луч посылается на интерферометр, отражается от зеркал и возвращается. По временной задержке можно узнать, произошло ли смещение зеркал из-за гравитационной волны.
Разработанная система детекторов очень хорошо защищена от внешних шумов, но избавиться от квантовых шумов из-за флуктуаций полностью невозможно. С другой стороны, при такой хорошей защите от классических шумов можно измерить влияние квантовых эффектов в макроскопической системе.
Коллаборация LIGO сообщила, что им впервые удалось задетектировать влияние квантовых флуктуаций на макроскопическую интерференционную схему, а именно на смещение зеркала. Ранее ученым удавалось увидеть влияние флуктуаций лишь на нанообъекты в миллиарды раз меньше.
Для обнаружения прямого действия флуктуаций, ученые внедрили в схему устройство на основе квантового сжатия, что позволило менять свойства флуктуаций, а именно силу квантовых корреляций. Для этого ученые создали сжатое состояние света, с контролируемой структурой сжатия, и использовали его в интерферометре в качестве пробного луча. Физики варьировали параметры сжатия и снимали зависимость смещения зеркала от этих параметров. Если бы квантовых корреляций не было бы, то смещение зеркала было бы нечувствительным к сжатию. Таким образом, им удалось достоверно показать, что смещение зеркал происходит из-за квантового шума, а не обычных вибраций.
Исследователи зарегистирировали смещение зеркала на 10-20 метра, что является абсолютным рекордом при измерениях механического движения. Квантов сжатый свет также можно применять в будущем для ещё более точных измерений гравитационных волны. Такой метод позволяет проводить измерения с точностью выше квантового предела.
По информации https://nplus1.ru/news/2020/07/02/LIGO-quantum-fluctuations
Обозрение "Terra & Comp".
