Fizikçiler 10 Kilogramlık Bir Nesneyi ‘Mutlak Sıfır’ Sınırına Kadar Soğuttular

'Mutlak sıfır', atomların ve moleküllerin hareket etmeyi bıraktığı noktadır.

Fizikçiler 10 kilogramlık bir nesneyi mutlak sıfır noktasına kadar soğutarak, kuantum dünyasını anlamaya çalıştılar. Mutlak sıfır noktası nedir?

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Lazer İnterferometre Kütle Çekim Dalga Gözlemevi (LIGO), titreşimlere o kadar duyarlıdır ki, yerçekimi dalgaları olarak adlandırılan uzay-zamandaki küçük dalgalanmaları tespit edebilir. Bu dalgalar, uzak galaksilerdeki kara deliklerin ve diğer yıldız felaketlerinin çarpışmasından kaynaklanır ve gözlemevinde bir protondan çok daha küçük hareketlere neden olurlar.

Araştırmacılar şimdi bu hassasiyeti, 10 kilogramlık bir kütleyi, mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin milyarda birinden daha azına kadar etkili bir şekilde soğutmak için kullandılar.

Sıcaklık, bizi çevreleyen atomların ve moleküllerin ne kadar hızlı hareket ettiğinin bir ölçüsüdür. Nesneler soğuduğunda molekülleri daha az hareket eder.

"Mutlak sıfır", atomların ve moleküllerin tamamen hareket etmeyi bıraktığı noktadır. Bununla birlikte, kuantum mekaniği, hareketin tamamen yokluğunun gerçekten mümkün olmadığını söylüyor (belirsizlik ilkesi nedeniyle).

Bunun yerine, kuantum mekaniğinde mutlak sıfırın sıcaklığı, bir nesnenin sahip olabileceği teorik minimum hareket miktarı olan "hareketsel temel duruma" karşılık gelir. Deneyimizdeki 10 kilogramlık kütle, bu tür bir sıcaklığa soğutulan önceki en ağır kütleden yaklaşık 10 trilyon kat daha ağırdır ve neredeyse hareketsel temel duruma soğutulmuştur.

Fizikçiler 10 kilogramlık bir nesneyi mutlak sıfır noktasına kadar soğutarak, kuantum dünyasını anlamaya çalıştılar. Mutlak sıfır noktası nedir?
Kuantum temel durumuna yakın soğutulan dört Gelişmiş LIGO 40-kg aynadan biri.Danny Sellers / Caltech / MIT / LIGO Lab

Science dergisinde yayınlanan çalışma, kuantum mekaniği ve etrafımızda gördüğümüz makroskopik dünya arasındaki boşluğu anlama arayışında önemli bir adımdır.

Geleceğin daha hassas kütleçekimsel dalga gözlemevlerinde deneyi geliştirmek için şimdiden planlar yapılıyor. Sonuçlar, kuantum mekaniği ile yerçekimini ve evrenin davranışını çok büyük ölçeklerde tanımlayan genel görelilik teorisi arasındaki tutarsızlık hakkında fikir verebilir.

Nasıl çalışır

LIGO, uzun tünellerden ateşlenen ve iki çift 40 kilogramlık ayna arasında sektirilen ve ardından bir girişim deseni oluşturmak için birleştirilen lazerleri kullanarak yerçekimi dalgalarını algılar. Aynalar arasındaki mesafedeki küçük değişiklikler, lazer yoğunluğundaki dalgalanmalar olarak ortaya çıkar.

Dört aynanın hareketi, onları çevreleyen titreşimlerden izole etmek ve hatta üzerlerinden yansıyan lazer ışığının etkisini telafi etmek için çok hassas bir şekilde kontrol edilir.

Bu kısmı anlamak zor olabilir, ancak 40 kilogramlık dört aynanın hareketindeki farklılıkların 10 kilogramlık tek bir aynanın hareketine eşdeğer olduğunu matematiksel olarak gösterebiliriz. Bunun anlamı, bu deneyde gözlemlediğimiz lazer yoğunluğu değişiklikleri modelinin, 10 kilogramlık tek bir aynadan göreceğimiz ile aynı olmasıdır.

Fizikçiler 10 kilogramlık bir nesneyi mutlak sıfır noktasına kadar soğutarak, kuantum dünyasını anlamaya çalıştılar. Mutlak sıfır noktası nedir?
Kuantum temel durumuna yakın soğutulan dört Advanced LIGO 40 kg aynadan biri. Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab

10 kilogramlık aynanın sıcaklığı, onu oluşturan atomların ve moleküllerin hareketi ile tanımlansa da, tek tek moleküllerin hareketini ölçmüyoruz. Bunun yerine, büyük ölçüde yerçekimi dalgalarını bu şekilde ölçtüğümüz için, tüm atomların ortalama hareketini (veya kütle merkezi hareketini) ölçeriz.

Atomların hareket edebileceği en az atom sayısı kadar yol vardır, ancak bu yollardan yalnızca birini ölçüyoruz.

Sonuç, dört fiziksel aynanın oda sıcaklığında kalmasına ve dokunulduğunda sıcak olmasına rağmen (birinin onlara dokunmasına izin verirsek), 10 kilogramlık sistemin ortalama hareketi etkin bir şekilde 0,77 nanokelvin veya mutlak sıfırın üzerinde bir derecenin milyarda birinden daha azdır.

Sıkılmış ışık

Avustralya'nın OzGrav Yerçekimi Dalgası Araştırma Merkezinin üyelerinin LIGO'ya katkısı, dedektördeki "kuantum sıkıştırılmış ışık" sistemini tasarlamak, kurmak ve test etmekti. Bu sistem, dedektöre özel olarak tasarlanmış bir kuantum alanı oluşturur ve enjekte eder, bu da onu aynaların hareketine ve dolayısıyla yerçekimi dalgalarına karşı daha duyarlı hale getirir.

Sıkıştırılmış ışık sistemi, sistemdeki gürültü miktarını azaltan yüksek oranda ilişkili veya "dolaşık" foton çiftleri üretmek için özel bir kristal türü kullanır.

Fizikçiler 10 kilogramlık bir nesneyi mutlak sıfır noktasına kadar soğutarak, kuantum dünyasını anlamaya çalıştılar. Mutlak sıfır noktası nedir?
Avustralya Ulusal Üniversitesi bilim insanları Nutsinee Kijbunchoo ve Terry McRae, Washington, ABD'deki LIGO Hanford Gözlemevi'nde kuantum sıkıştırılmış ışık kaynağı için bileşenler oluşturuyorlar.Nutsinee Kijbunchoo

Tüm bunlar ne anlama geliyor?

Bu aynaların belirli bir özelliğini kuantum hareketsel temel duruma yaklaşırken gözlemleyebilmek, daha fazla ve daha iyi yerçekimi dalgası astronomisi yapmak için LIGO'yu geliştirmenin bir yan ürünüdür, ancak aynı zamanda kuantum mekaniği ve yerçekimi ile ilgili can sıkıcı bir soru hakkında fikir verebilir.

Çok küçük ölçeklerde, kuantum mekaniği, nesnelerin hem dalga hem de parçacık olması veya görünüşte aynı anda iki yerde var olması gibi birçok garip olguya izin verir. Bununla birlikte, gördüğümüz makroskopik dünya, kuantum olgularına uyması gereken küçük nesnelerden inşa edilmiş olsa da, bu kuantum etkilerini daha büyük ölçeklerde görmüyoruz.

Bunun neden olduğuna dair bir teori, uyumsuzluk (ayrışmafikridir. Bu, bir kuantum sisteminin çevresinden gelen ısı ve titreşimlerin, kuantum durumunu bozduğunu ve tanıdık bir katı nesne gibi davranmasını sağladığını gösteriyor.

Fizikçiler 10 kilogramlık bir nesneyi mutlak sıfır noktasına kadar soğutarak, kuantum dünyasını anlamaya çalıştılar. Mutlak sıfır noktası nedir?
Kuantum temel durumuna yakın soğutulan dört Gelişmiş LIGO 40-kg aynadan biri.Danny Sellers / Caltech / MIT / LIGO Lab

Yerçekimi dalgalarını ölçmek için LIGO, çevresinden gelen ısı veya titreşimlerden etkilenmeyecek şekilde tasarlanmıştır, ancak LIGO test kütleleri, yerçekiminin olası bir uyumsuzluk nedeni olması için yeterince ağırdır.

Yüzyıllık araştırmaya rağmen, yerçekimi ve kuantum mekaniğini uzlaştırmanın hiçbir yolu yok. Bunun gibi deneyler, özellikle temel duruma daha da yaklaşabilirlerse, bu bulmacanın iç yüzünü anlayabilirler.

Araştırmacılar önümüzdeki birkaç yıl içinde LIGO'yu geliştirirken, bu kuantum mekaniği deneyini yeniden yapabilirler ve belki de klasik dünyadan insan boyutundaki nesnelerle kuantum dünyasına geçtiğimizde neler olduğunu görebiliriz.

Güncel haberlere ulaşmak için bizi Twitter, Facebook ve Flipboard'da takip edebilirsiniz.

Yorum Gönder (0)
Daha yeni Daha eski