LIGO es un detector increíblemente sensible de pequeños cambios en el espacio debido al paso de ondas gravitacionales y utiliza algunas matemáticas y física de muy alto nivel y técnicas experimentales para reducir su nivel de ruido lo suficiente como para que esto suceda.
Ars Technica se refiere al nuevo artículo en Science Approaching the motional ground state of a 10-kg object (legible en arXiv ) y dice:
retroalimentación escalofriante
Afortunadamente, la demora involucrada aquí resultó amortiguar el sistema, en lugar de cambiar su frecuencia. (Esto es técnicamente cierto solo para un solo modo, o rango de frecuencia, de la oscilación del péndulo). Con el tiempo, a medida que el sistema se modificaba constantemente, el efecto era purgar energía del sistema, enfriándolo efectivamente. Al final de un período de funcionamiento, los investigadores estiman que su temperatura efectiva era de solo 77 nano-Kelvin, o muy cerca del cero absoluto.
Los investigadores también expresaron eso en términos de fonones, una unidad cuántica de vibración. Al final del proceso, probablemente había 11 fonones en el espejo de 40 kilogramos. Ese no es el estado fundamental cuántico, lo que implicaría vaciar el sistema de fonones. Pero está bastante cerca y podría ser útil para estudiar fenómenos cuánticos en objetos grandes; si no, no se necesitaría mucha mejora para llegar allí.
La perspectiva más emocionante que ven los autores es que el movimiento del péndulo también depende de los efectos gravitatorios, que no hemos podido reconciliar con la mecánica cuántica. El nuevo trabajo, sugieren, "insinúa la tentadora perspectiva de estudiar la decoherencia gravitacional en sistemas cuánticos masivos". Y, en comparación con un grano de arena, 40 kg ciertamente califican como masivos.
Estoy confundido por el uso de fonones aquí. Se trata del estado fundamental de movimiento de los espejos y creo que el estado es la configuración espacial de los cuatro espejos, el movimiento relativo de sus centros de masa o superficies reflectantes frontales a lo largo de sus ejes ópticos es lo que se ha enfriado a 77 nano-kelvin ¿no es así?
La temperatura del vidrio a granel con el que se fabrican los espejos no es tan fría, ¿verdad?
Entonces, en el vaso es probable que haya mucho más de 11 fonones, ¿no es así?
¿Dónde están estos 11 fonones y cómo se definen?
El lenguaje confuso se debe a la dualidad onda-partícula . A frecuencias más altas y distancias más grandes, el modelo de partículas es más preciso: los trazadores de rayos pueden rastrear fotones a medida que se reflejan, refractan y dispersan (pero no se difractan) y los fotones llegan en eventos discretos. Pero a bajas frecuencias, el modelo de ondas es más preciso: los fotones individuales son menos importantes y pueden no ser detectables en absoluto, y la difracción y la interferencia son efectos fuertes. Por lo tanto, es mejor resolver las ecuaciones de Maxwell con condiciones de contorno para espejos y dieléctricos. Están hablando de la frecuencia más baja que hay en el sistema, por lo que es confuso usar la terminología de "partículas".
Fonones = perturbaciones mecánicas en el material del espejo , al igual que "hay fotones" es lo mismo que decir "hay perturbaciones electromagnéticas".
11 fonones = el 11' estado excitado de un oscilador armónico cuántico . Esto es sorprendente para un objeto más pesado que un gato , aunque es solo una estimación . No han "visto" la cuantización de la forma en que podemos hacerlo en una lámpara de hidrógeno .
Si la métrica del espacio-tiempo no entra en una superposición, esto significa que habría dos "pozos de gravedad" de fuerza media, uno para cada posición del espejo (aunque estamos hablando de distancias que hacen que los protones parezcan enormes). Esto puede forzar un colapso cuántico y sacar el objeto de la superposición cuántica si supera la masa de Planck . Parece poco probable que la gravedad siga reglas tan diferentes a bajas energías, pero si lo hace, sería revolucionario para la física teórica.
Climatización no térmica . Los espejos están a ~300K y se sentirían calientes al tacto. Hay una gran cantidad de fonones en general, del orden de 10 ^ 27 y los espejos intercambian constantemente fotones térmicos con su entorno, así como colisiones con moléculas de gas residual. Pero el movimiento masivo en la dirección del rayo láser es lo que nos importa como sistema cuántico .
Un circuito de retroalimentación activo ha extraído energía del modo de traducción masivo del espejo. Esto ha logrado lo que haría un baño de helio de 77 nK sin la enorme dificultad de enfriar un objeto grande a 77 nK.
Doy más detalles de cómo logran un número tan bajo en la pila de física .
Están mirando un grado de libertad muy específico de los espejos individuales. El movimiento oscilatorio colectivo del espejo en la dirección del rayo láser. Cuando se aísla de las ecuaciones de movimiento completas del espejo, la ecuación de movimiento efectiva para este grado de libertad es un oscilador armónico con una masa efectiva de 10 kg (recuerde que la masa real del espejo es de 40 kg) y una frecuencia de ~ 2,7 Hz .
Cuando se trata el espejo como un sistema cuántico, los niveles de energía de este oscilador (y todos los demás grados de libertad del espejo) se cuantifican. Así podemos contar el número de excitaciones de este modo particular. Estos cuantos se denominan fonones .
Debido a que este modo en particular interferiría con la detección de ondas gravitacionales, es objeto de varios esquemas para amortiguar el modo, es decir, para garantizar que haya la menor energía posible en este modo mecánico particular. El punto del documento LIGO es que este esfuerzo de amortiguación es tan efectivo que la cantidad de fonones en este modo particular se reduce a aproximadamente 10 durante la operación. Esto significa que este grado de libertad mecánico macroscópico particular se acerca mucho a su estado fundamental mecánico cuántico. Esto debe compararse con el número de ocupación natural de este modo a temperatura ambiente basado en el teorema de equipartición , que es fonones.
Sin embargo, se debe enfatizar que es solo este modo particular el que se humedeció hasta este extremo. El espejo en su conjunto todavía está a temperatura ambiente, y todos los demás modos mecánicos todavía están poblados por billones de fonones.
Las ondas gravitacionales serían incluso detectables (en principio) si los espejos tuvieran una velocidad relativa. Esta velocidad relativa (energía cinética) no está relacionada con la temperatura. Los fonones pueden influir en la distancia relativa de los espejos. Si esta distancia es constante (sin aceleración), entonces se puede realizar una medición precisa.
Los 11 fonones corresponden a los 70 nanoKelvin de los espejos. Un fonón ya puede variar la distancia entre los espejos. Pero 11 es demasiado poco para hacer esto de manera significativa.
Entonces, los únicos objetos para los que se considera el estado fundamental son los propios espejos (su estructura reticular sobre la que se pueden mover los fonones). Puede leer aquí que los espejos se mantienen a una distancia fija. Lo único que puede "dañar" las medidas son las variaciones espaciales de los propios espejos. Ahora, los fonones que se mueven en el espejo equivalen a distorsiones espaciales, aunque son pequeñas, pero se requiere una alta precisión. Entonces, para que estas distorsiones sean lo más pequeñas posible, es mejor hacer que la temperatura de los espejos sea lo más pequeña posible. Once fonones corresponden a una temperatura bastante baja (¡70 nanoKelvin!). Creo que es un milagro moderno que esto se logre.
UH oh
UH oh
UH oh