Квантовые флуктуации «подвинули» зеркала LIGO

Исследователи из США и Австралии измерили влияние квантовых флуктуаций на объекты человеческого масштаба. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи показывают, что квантовые флуктуации, какими бы крошечными они ни были, могут воздействовать на 40-килограммовые зеркала телескопа гравитационно-волновой обсерватории LIGO. Ученые смогли измерить градус, на который сдвинулись эти объекты.

Обсерватория LIGO предназначена для обнаружения гравитационных волн, поступающих на Землю от источников на расстоянии миллионов и даже миллиардов световых лет. Обсерватория состоит из двух одинаковых детекторов — одного в Хэнфорде, штат Вашингтон, а другого в Ливингстоне, штат Луизиана. Каждый детектор представляет собой L-образный интерферометр, состоящий из двух четырехкилометровых туннелей, в конце которых расположено 40-килограммовое зеркало.

Для обнаружения гравитационной волны лазер, расположенный на входе интерферометра LIGO, посылает луч света в каждый туннель с детектором. Там лазерный луч отражается от зеркала на дальнем конце и возвращается в начальную точку. В отсутствие гравитационной волны лазеры должны вернуться в одно и то же время. Если гравитационная волна проходит через лазерный луч, она ненадолго нарушит положение зеркал, а следовательно, и время прихода лучей.

Физики сделали все, чтобы защитить интерферометры от внешнего шума, так что детекторы имеют больше шансов выявить чрезвычайно тонкие колебания пространства-времени, создаваемые гравитационной волной. Теперь исследователи задались вопросом, может ли LIGO быть достаточно чувствительным, чтобы «ощущать» более тонкие эффекты, такие как квантовые флуктуации внутри самого интерферометра и, в частности, квантовый шум, создаваемый фотонами в лазере LIGO.

Чтобы выяснить это, ученые использовали квантовый «сжиматель» — инструмент, который физики не так давно построили в качестве дополнения для лазерных интерферометров. С помощью него ученые могут изменять свойства квантового шума внутри LIGO. Авторы сначала измерили общий уровень шума в интерферометрах LIGO. Затем они включили «сжиматель» и установили его так, чтобы инструмент мог изменять свойства шума. После исследователи смогли вычесть фоновый классический шум во время анализа данных, чтобы выделить чисто квантовый шум в интерферометре. Поскольку детектор постоянно отслеживает смещение зеркал при любом входящем шуме, исследователи смогли заметить, что одного квантового шума было достаточно, чтобы сдвинуть зеркала примерно на 10^-19 метра.

Результаты работы позволили ученым «сжать» квантовый шум и снизить смещение зеркал на 70%. Полученное значение находится ниже стандартного квантового предела. Согласно этому пределу, существует минимальное количество квантовых флуктуаций при определенном уровне фотонов или, в случае LIGO, уровне мощности лазера. Преодоление этого барьера позволит сделать гравитационно-волновые измерения намного точнее.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.