โดย Ben Turner เผยแพร่เมื่อ 29 มิถุนายน 2021
นักฟิสิกส์กําลังนําวัตถุขนาดใหญ่เข้ามาใกล้ดินแดนควอนตัมมากขึ้นกว่าเดิม
กระจกซุปเปอร์คูลทั้งสี่มีน้ําหนัก 40 กิโลกรัม (เครดิตภาพ: คาลเทค/MIT/LIGO Lab)
นักฟิสิกส์ที่ทํางานที่หอดูดาวคลื่นความโน้มถ่วงที่ใหญ่ที่สุดในโลกได้ทําให้อุปกรณ์ของพวกเขาเย็นลงใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ในการเสนอราคาเพื่อสํารวจสิ่งที่เรียกว่า “ขีด จํากัด ควอนตัม” หรือจุดที่กฎที่ควบคุมอนุภาคย่อยสลาย
จุดประสงค์ของเรื่องนี้ ตามที่นักวิจัยได้กล่าวไว้ ไม่ใช่เพื่อศึกษาคลื่นความโน้มถ่วง
แต่เพื่อทําความเข้าใจว่าทําไมวัตถุขนาดใหญ่ถึงไม่เป็นไปตามกฎของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งนักฟิสิกส์บางคนเชื่อว่าอาจเป็นเพราะผลกระทบที่ก่อกวนของแรงโน้มถ่วง ซึ่งอาจทําให้วัตถุต่างๆ ถอดรหัสได้ในระดับใหญ่ เพื่อไม่ให้เกิดกฎควอนตัมอีกต่อไป แต่กล้องจุลทรรศน์แทน ในการศึกษาใหม่นักวิจัยที่ Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ทําให้กระจกของการทดลองสี่บานเย็นลงแต่ละอันมีน้ําหนักประมาณ 90 ปอนด์ (40 กิโลกรัม) จากอุณหภูมิห้องลดลงเหลือ 77 นาโนเคลวิน (ลบ 459.6699998614 องศาฟาเรนไฮต์) ลดการสั่นสะเทือนของอะตอมให้สูงกว่าระดับต่ําสุดที่อนุญาตโดยกฎของกลศาสตร์ควอนตัม
ที่เกี่ยวข้อง: ในการล่าคลื่นความโน้มถ่วงนักวิทยาศาสตร์ต้องสร้างจุดที่เงียบที่สุดในโลก
ความสําเร็จนี้เป็นก้าวกระโดดอย่างมากในขนาดของวัตถุที่สามารถระบายความร้อนได้ในระดับนี้ จนถึงตอนนี้สิ่งที่ใหญ่ที่สุดที่ได้รับการระบายความร้อนอย่างสมบูรณ์ถึงระดับพลังงานต่ําสุดที่เป็นไปได้ – หรือสถานะพื้นดิน – คือลูกปัดแก้วกว้าง 150 นาโนเมตร (6×10 ^ ลบ 6 นิ้ว) ที่มีน้ําหนักเพียงไม่กี่เศษเสี้ยวของกรัม
”ไม่มีใครเคยสังเกตได้ว่าแรงโน้มถ่วงทําหน้าที่อย่างไรต่อรัฐควอนตัมขนาดใหญ่” ผู้อํานวยการโครงการ Vivishek Sudhir ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลของ MIT กล่าวในแถลงการณ์ “เราได้สาธิตวิธีการเตรียมวัตถุระดับกิโลกรัมในรัฐควอนตัม ในที่สุดสิ่งนี้ก็เปิดประตูสู่การศึกษาทดลองว่าแรงโน้มถ่วงอาจส่งผลกระทบต่อวัตถุควอนตัมขนาดใหญ่อย่างไรซึ่งเป็นสิ่งที่ฝันถึงเท่านั้น”
ฟิสิกส์ยังคงไม่สามารถอธิบายได้ว่าแรงโน้มถ่วงทํางานอย่างไรในระดับอะตอมทําให้นักฟิสิกส์เกาหัวของพวกเขาเมื่อมันมาถึงการทําความเข้าใจเอกพจน์ที่อยู่ในศูนย์กลางของหลุมดําหรือทําไมแรงโน้มถ่วงจึงอ่อนแอกว่าแรงผลักดันพื้นฐานอื่น ๆ ทั้งหมดของธรรมชาติ (แม่เหล็กไฟฟ้าแรงอ่อนแอและแรงที่แข็งแกร่ง) แรงโน้มถ่วงเป็นเพียงการอธิบายโดยทฤษฎีที่ดีที่สุดของเราของวัตถุที่มีขนาดใหญ่มาก, ทฤษฎีทั่วไปของไอน์สไตน์ของความสัมพันธ์. แต่เนื่องจากทฤษฎีนี้พังทลายลงในระดับเล็ก ๆ มันทําให้นักวิทยาศาสตร์มีภาพที่แตกหักของวิธีการทํางานของจักรวาล
ในการสังเกตผลกระทบเล็ก ๆ น้อย ๆ ของแรงโน้มถ่วงบนวัตถุขนาดใหญ่เสียงภายนอกที่เป็นไปได้
ทั้งหมด – ซึ่งเป็นสิ่งที่สามารถรบกวนสัญญาณที่พวกเขาต้องการหาได้ที่นี่เป็นการกระตุกแบบสุ่มของโมเลกุล – จะต้องถูกลบออกจากระบบและนั่นหมายถึงการทําให้เย็นอย่างไม่น่าเชื่อ อุณหภูมิของวัตถุและปริมาณที่สั่นสะเทือนเป็นหนึ่งและสิ่งเดียวกัน ดังนั้นการระบายความร้อนทุกอย่างให้เป็นศูนย์สัมบูรณ์หมายถึงการถอดแพ็คเก็ตของการสั่นสะเทือนในระดับควอนตัมทั้งหมดที่เรียกว่า phonons ที่เคลื่อนที่ผ่านมัน
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
-10 การค้นพบหลุมดําขนาดใหญ่จากปี 2020
-18 ความลึกลับที่ยังไม่คลี่คลายที่ใหญ่ที่สุดในฟิสิกส์
-โลกแปลก ๆ ของฟิสิกส์ควอนตัมอาจควบคุมชีวิต
เพื่อกําจัดการสั่นสะเทือนเหล่านี้ทีม LIGO จะส่องแสงเลเซอร์ที่แม่นยํามากบนกระจกเพื่อวัดการสั่นสะเทือนของกระจกก่อนที่จะใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อใช้แรงที่ต่อต้านการเคลื่อนไหวของกระจกชะลอตัวลงและดับการสั่นสะเทือนเล็ก ๆ ส่วนใหญ่ข้ามพวกเขา ด้วยวิธีนี้พวกเขาสามารถลดจํานวน phonons เฉลี่ยในเวลาที่กําหนดในระบบจาก 10 ล้านล้านเป็น 10.8
ตอนนี้พวกเขาได้ลบการสั่นสะเทือนส่วนใหญ่ออกจากระบบสี่กระจกของพวกเขานักฟิสิกส์ต้องการศึกษาสถานะควอนตัมของกระจกเพื่อดูว่าวัตถุขนาดใหญ่ไปเกี่ยวกับการสูญเสียคุณสมบัติควอนตัมของพวกเขากระบวนการที่เรียกว่าการถอดรหัส
