Колебание устоев: физики зафиксировали сдвиг 40-килограммового зеркала под действием квантового шума

Физики совершили почти невозможное: измеренный ими сдвиг огромного сорокакилограммового зеркала детектора LIGO во столько же раз меньше атома водорода, во сколько сам атом мал по сравнению с зеркалом. Никогда еще экспериментаторам не удавалось фиксировать «квантовую дрожь» объекта массой в десятки килограммов. Все предыдущие эксперименты имели дело с телами, в миллиарды раз более легкими. Чем этот результат важен для физики и технологий?

Поймать волну

Инструмент, позволивший ученым выполнить такие тонкие измерения, вовсе не предназначен для проверки квантовой механики. Его задача — регистрация гравитационных волн, о которых шла речь в недавней заметке в Forbes. Речь идет о детекторе LIGO. Потратив $365 млн, ученые создали, вероятно, самый точный в истории человечества научный прибор.

Гравитационная волна, пришедшая на Землю, слегка раскачивает 40-килограммовые зеркала, подвешенные на специальных нитях. «Слегка» — это смещение на 10^-18 метров (17 нулей после запятой, или одна миллионная доля от одной триллионной). Это в тысячи раз меньше диаметра протона. Чтобы измерять такие сдвиги, приходится учитывать даже тепловое движение молекул в зеркалах. И для работников коллаборации LIGO это обыденность: новые всплески гравитационных волн фиксируются несколько раз в месяц.

Теперь физики пошли дальше. Они изменили смещение зеркал на величину еще в сотни раз меньшую: порядка 10^-20 метров.

«Размер атома водорода составляет 10^-10 метров, поэтому это смещение зеркал по сравнению с атомом водорода — то же, что атом водорода по сравнению с нами. И мы его измерили!» — отмечает Ли МакКаллер (Lee McCuller) из Массачусетского технологического института, соавтор исследования, опубликованного в одном из самых престижных в мире научных журналов, Nature.

Положение зеркал на LIGO регистрируется с помощью лазерного луча, путешествующего по двум четырехкилометровым туннелям. Теперь исследователи измерили колебания зеркал, которые вызываются квантовым шумом, присутствующим в этом луче.

Предел точности

Объектами микроскопического размера, будь то атомы, фотоны в лазерном луче или электроны в микросхеме, управляют законы квантовой механики.

В быту мы не сталкиваемся с отдельными атомами или фотонами. Мы имеем дело с телами, состоящими из колоссального числа частиц: молекул в стакане воды больше, чем стаканов воды в Мировом океане. Когда частицы собираются такими большими компаниями, квантовые законы становятся почти неотличимыми от законов классической физики, знакомых нам со школьной скамьи. Именно поэтому квантовый шум сдвигает 40-килограммовый груз только на 10^-20 метров. Исследователям потребовались невероятно точные измерения, чтобы обнаружить этот эффект.

Что такое квантовый шум? Это следствие одного из фундаментальных квантовых законов: принципа неопределенности Гейзенберга. Он гласит, что некоторые физические величины (например, координаты и импульс частицы) не могут одновременно иметь абсолютно точные значения. Другими словами, некоторые величины невозможно абсолютно точно измерить даже не потому, что наши технологии несовершенны, а потому, что это прямо запрещено физическими законами.

Что это означает на практике? В данных любого измерительного прибора присутствует квантовый шум, неустранимый никакими усилиями. Правда, обычно нет нужды устранять то, что невозможно даже заметить. Квантовый шум настолько мал, что безнадежно тонет в куда более мощных шумах другой природы.

Измеряя колебания груза на подвесе, физик может столкнуться с вибрациями от собственных шагов и проезжающих мимо автомобилей, с влиянием витающих по лаборатории сквозняков, с реакцией нити на перепады температуры. Однако он не столкнется с квантовым шумом, если только не потратит сотни миллионов долларов на постройку LIGO, инструмента, предельно защищенного от всех этих и огромного количества других воздействий.

Управление хаосом

Шумы на LIGO настолько малы, что по сравнению с ними даже квантовый шум уже не является неразличимо малым. Но все же как отличить его от других шумов? Для этого ученые использовали устройство, управляющее уровнем квантового шума.

Поясним. Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно абсолютно точно измерить пару физических величин. Однако можно уменьшить неопределенность в одной из них, увеличив при этом неопределенность в другой. В случае LIGO такой парой является давление света на зеркала и количество фотонов в лазерном луче. При этом на положение зеркал влияет только первая из этих двух величин. Квантовый шум LIGO — это неопределенность в давлении света.

Исследователи применили прибор, который уменьшал эту неопределенность (за счет увеличения неопределенности в числе фотонов). Зная, насколько они уменьшили квантовый шум, физики проверяли, как изменился суммарный шум от всех источников. Это и позволило им измерить вклад квантового шума в смещения зеркал и убедиться, что он составлял 10^-20 метров. К слову, именно такое значение и предсказывала теория.

Зачем проверять проверенное

Квантовая механика — одна из самых хорошо проверенных научных теорий. Она не просто подтверждена многочисленными опытами. Законы квантовой механики лежат в основе технологий, которыми мы пользуемся каждый день. Именно на них основана работа микроэлектроники: при расчете движения электронов в полупроводнике без квантовой теории никак не обойтись. Так что, включая компьютер, смартфон и вообще любой прибор умнее лампы накаливания, мы каждый раз проводим эксперимент, подтверждающий, что квантовые законы исправно работают.

Тем не менее ученые не устают изобретать все новые способы проверки. Наверное, каждый экспериментатор в глубине души мечтает поставить опыт, в котором теория наконец не сработает. С таких опытов начинаются революции в физике: чтобы объяснить их, приходится создавать новые более глубокие теории.

Однако на сей раз квантовая механика снова с честью выдержала испытание. Так что прорыв на просторы новой физики опять откладывается. Зато это исследование наверняка войдет в анналы экспериментальной науки как образец точности измерений.

Между тем измерение квантового шума на LIGO интересует не только физиков, но и астрономов. Напомним, что основная задача инструмента — наблюдение гравитационных волн. Сейчас ученые выделяют из данных детектора только сигналы, которые в сотни раз превышают квантовый шум. Более слабые гравитационные волны остаются неизученными.

Точное измерение квантового шума и уменьшение его (вышеописанным способом) повышает чувствительность детектора. Это значит, что инструмент будет фиксировать больше столкновений черных дыр и нейтронных звезд (которые и порождают гравитационные волны). Благодаря этому астрономы наверняка узнают о Вселенной немало нового и интересного.