LIGO — невероятно чувствительный детектор небольших изменений в пространстве, вызванных прохождением гравитационных волн, и использует математику и физику очень высокого уровня, а также экспериментальные методы, чтобы снизить уровень шума настолько, чтобы это произошло.
Ars Technica ссылается на новую статью в Science Approaching the Motioning main state of the 10-kg object (читается в arXiv ) и говорит:
Леденящая кровь обратная связь
К счастью, связанная с этим задержка привела к ослаблению системы, а не к изменению ее частоты. (Технически это верно только для одного режима или частотного диапазона колебаний маятника.) Со временем, поскольку система постоянно настраивалась, эффект заключался в том, чтобы отбирать энергию из системы, эффективно охлаждая ее. По оценкам исследователей, к концу периода эксплуатации его эффективная температура составляла всего 77 нанокельвинов, или очень близко к абсолютному нулю.
Исследователи также выразили это с точки зрения фононов, квантовой единицы вибрации. В конце процесса в 40-килограммовом зеркале, вероятно, было 11 фононов. Это не основное квантовое состояние, которое предполагает опустошение системы фононов. Но это довольно близко и потенциально уже может быть полезно для изучения квантовых явлений на больших объектах; в противном случае не потребуется много улучшений, чтобы получить его там.
Наиболее захватывающая перспектива, которую видят авторы, заключается в том, что движение маятника также зависит от гравитационных эффектов, которые мы не смогли согласовать с квантовой механикой. Они предполагают, что новая работа «намекает на заманчивую перспективу изучения гравитационной декогеренции в массивных квантовых системах». И, по сравнению с песчинкой, 40 кг, безусловно, считаются огромными.
Меня смущает использование здесь фононов. Речь идет о подвижном основном состоянии зеркал, и я думаю, что это состояние — это пространственная конфигурация четырех зеркал, относительное движение либо их центров масс, либо передних отражающих поверхностей вдоль их оптических осей — это то, что было охлаждено до 77°. нано-кельвин, не так ли?
Температура объемного стекла, из которого изготовлены зеркала, не такая уж и низкая, верно?
Так что в стекле, скорее всего, намного больше 11 фононов, не так ли?
Где находятся эти 11 фононов и как они определяются?
Сбивающий с толку язык возникает из-за корпускулярно-волнового дуализма . На более высоких частотах и больших расстояниях модель частиц более точна: трассировщики лучей могут отслеживать фотоны, когда они отражают, преломляют и рассеивают (но не дифрагируют), а фотоны прибывают дискретными событиями. Но на низких частотах волновая модель более точна: отдельные фотоны менее важны и могут вообще не обнаруживаться, а дифракция и интерференция являются сильными эффектами. Таким образом, лучше решать уравнения Максвелла с граничными условиями для зеркал и диэлектриков. Они говорят о самой низкой частоте в системе, поэтому использование терминологии «частица» сбивает с толку.
Фононы = Механические возмущения в материале зеркала , точно так же, как «существуют фотоны» — это то же самое, что сказать «существуют электромагнитные возмущения».
11 фононов = 11-е возбужденное состояние квантового гармонического осциллятора . Это удивительно для объекта тяжелее кошки , хотя это только оценка . Они не «видели» квантование так, как мы можем это видеть в водородной лампе .
Если метрика пространства-времени не входит в суперпозицию, это означает, что будет два «гравитационных колодца» половинной силы, по одному для каждого положения зеркала (хотя мы говорим о расстояниях, на которых протоны выглядят огромными). Это может вызвать квантовый коллапс и вывести объект из квантовой суперпозиции, если он превышает планковскую массу . Кажется маловероятным, что гравитация будет играть по таким другим правилам при низких энергиях, но если это произойдет, это будет революцией в теоретической физике.
Нетепловое кондиционирование . Зеркала имеют температуру ~ 300K и будут теплыми на ощупь. В целом существует огромное количество фононов, порядка 10^27, и зеркала постоянно обмениваются тепловыми фотонами с окружающей средой, а также сталкиваются с молекулами остаточного газа. Но объемное движение в направлении лазерного луча имеет значение для нас как для квантовой системы .
Активная петля обратной связи вытягивала энергию из объемной поступательной моды зеркала. Это сделало то, что могла бы сделать гелиевая ванна с температурой 77 нК без огромной трудности охлаждения большого объекта до температуры 77 нК.
Я расскажу подробнее , как они достигают такого низкого числа в стеке физики .
Они смотрят на одну очень специфическую степень свободы отдельных зеркал. Коллективное колебательное движение зеркала в направлении лазерного луча. При выделении из полных уравнений движения зеркала эффективное уравнение движения для этой степени свободы представляет собой гармонический осциллятор с эффективной массой 10 кг (напомним, что фактическая масса зеркала 40 кг) и частотой ~ 2,7 Гц. .
При трактовке зеркала как квантовой системы энергетические уровни этого осциллятора (и всех остальных степеней свободы зеркала) квантуются. Таким образом, мы можем подсчитать количество возбуждений этой конкретной моды. Такие кванты называются фононами .
Поскольку эта мода, в частности, будет мешать обнаружению гравитационных волн, она является предметом различных схем для демпфирования этой моды, то есть для обеспечения того, чтобы в этой конкретной механической моде было как можно меньше энергии. Суть статьи LIGO в том, что это демпфирующее усилие настолько эффективно, что количество фононов в этой конкретной моде во время работы уменьшается примерно до 10. Это означает, что эта конкретная макроскопическая механическая степень свободы очень близка к своему квантово-механическому основному состоянию. Это следует сравнить с естественным числом заполнения этой моды при комнатной температуре на основе теоремы о равнораспределении , которая равна фононы.
Однако следует подчеркнуть, что только эта конкретная мода затухает до такой крайности. Зеркало в целом по-прежнему имеет комнатную температуру, а все остальные механические моды по-прежнему населены триллионами фононов.
Гравитационные волны можно было бы даже обнаружить (в принципе), если бы зеркала имели относительную скорость. Эта относительная скорость (кинетическая энергия) не связана с температурой. Фононы могут влиять на относительное расстояние зеркал. Если это расстояние является постоянным (без ускорения), то можно выполнить точное измерение.
11 фононов соответствуют 70 нанокельвинам зеркал. Один фонон уже может изменять расстояние между зеркалами. Но 11 слишком мало, чтобы сделать это существенно.
Итак, единственными объектами, для которых рассматривается основное состояние, являются сами зеркала (их решетчатая структура, по которой могут двигаться фононы). Здесь можно прочитать , что зеркала держат на фиксированном расстоянии. Единственное, что может «навредить» измерениям, — это пространственные вариации самих зеркал. Теперь движущиеся в зеркале фононы равносильны пространственным искажениям, хотя они и малы, но требуется высокая точность. Таким образом, чтобы сделать эти искажения как можно меньше, лучше всего сделать температуру зеркал как можно меньше. Одиннадцать фононов соответствуют довольно низкой температуре (70 нанокельвинов!). Я думаю, что это современное чудо, что это достигнуто.
ооо
ооо
ооо