Tin tức Vũ trụ TV

Thí nghiệm kiểm tra lực hấp dẫn lượng tử bớt phức tạp hơn một chút

Ngày:
Th12 10, 2020
Tóm lược:

Lực hấp dẫn có phải là một hiện tượng lượng tử không? Đó đã là một trong những câu hỏi nổi bật trong vật lý trong nhiều thập kỷ. Các nhà vật lý đã đề xuất một thử nghiệm có thể giải quyết vấn đề. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải nghiên cứu hai hệ lượng tử vướng víu rất lớn khi rơi tự do. Các nhà nghiên cứu hiện đưa ra một cách để giảm tiếng ồn xung quanh để làm cho thí nghiệm này dễ quản lý hơn.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Lực hấp dẫn có phải là một hiện tượng lượng tử không? Đó đã là một trong những câu hỏi nổi bật trong vật lý trong nhiều thập kỷ. Cùng với các đồng nghiệp từ Vương quốc Anh, Anupam Mazumdar, một nhà vật lý từ Đại học Groningen, đã đề xuất một thí nghiệm có thể giải quyết vấn đề trên. Tuy nhiên, nó đòi hỏi phải nghiên cứu hai hệ lượng tử vướng víu rất lớn khi rơi tự do. Trong một bài báo mới, có sinh viên năm thứ ba là tác giả đầu tiên, Mazumdar trình bày một cách để giảm tiếng ồn xung quanh để làm cho thí nghiệm này dễ quản lý hơn.

Ba trong bốn lực cơ bản trong vật lý có thể được mô tả dưới dạng lý thuyết lượng tử. Đây không phải là trường hợp của lực thứ tư (lực hấp dẫn), được mô tả bởi thuyết tương đối rộng của Einstein. Thí nghiệm mà Mazumdar và các đồng nghiệp của ông đã thiết kế trước đây có thể chứng minh hoặc bác bỏ bản chất lượng tử của lực hấp dẫn.

Chồng chất

Một hệ quả nổi tiếng của lý thuyết lượng tử là hiện tượng được gọi là chồng chất lượng tử: trong một số tình huống nhất định, trạng thái lượng tử có thể có hai giá trị khác nhau cùng một lúc. Lấy một electron được chiếu bằng ánh sáng laze. Lý thuyết lượng tử nói rằng nó có thể hấp thụ hoặc không hấp thụ năng lượng photon từ ánh sáng. Hấp thụ năng lượng sẽ làm thay đổi spin của electron, một mômen từ có thể lên hoặc xuống. Kết quả của sự chồng chất lượng tử là spin vừa lên vừa xuống.

Những hiệu ứng lượng tử này diễn ra trong các vật thể nhỏ bé, chẳng hạn như các electron. Bằng cách nhắm mục tiêu vào một electron trong một viên kim cương thu nhỏ được cấu tạo đặc biệt, có thể tạo ra sự chồng chất trong một vật thể lớn hơn nhiều. Viên kim cương đủ nhỏ để duy trì sự chồng chất này, nhưng cũng đủ lớn để cảm nhận được lực hấp dẫn. Đặc điểm này là những gì thí nghiệm khai thác: đặt hai viên kim cương này cạnh nhau trong trạng thái rơi tự do và do đó, triệt tiêu lực hấp dẫn bên ngoài. Điều này có nghĩa là chúng chỉ tương tác thông qua lực hấp dẫn giữa chúng.

Trong thí nghiệm được đề xuất, hai viên kim cương được xếp chồng lên nhau và nghiên cứu trong tình trạng rơi tự do. Ngoài lực hấp dẫn, hiệu ứng Casimir cũng kéo chúng lại gần nhau, gây ra tiếng ồn trong thí nghiệm. Một tấm đồng mỏng có thể che chắn hiệu ứng này, giảm tiếng ồn và giúp thí nghiệm dễ quản lý hơn. | Hình minh họa Anupam Mazumdar, Đại học Groningen
Trong thí nghiệm được đề xuất, hai viên kim cương được xếp chồng lên nhau và nghiên cứu trong tình trạng rơi tự do. Ngoài lực hấp dẫn, hiệu ứng Casimir cũng kéo chúng lại gần nhau, gây ra tiếng ồn trong thí nghiệm. Một tấm đồng mỏng có thể che chắn hiệu ứng này, giảm tiếng ồn và giúp thí nghiệm dễ quản lý hơn.
Hình minh họa Anupam Mazumdar, Đại học Groningen

Thách thức

Và đó là nơi xuất hiện một hiện tượng lượng tử khác. Rối lượng tử có nghĩa là khi hai hoặc nhiều hạt được tạo ra ở gần nhau, các trạng thái lượng tử của chúng được liên kết với nhau. Trong trường hợp của những viên kim cương, nếu một viên quay lên thì viên kim cương còn lại bị vướng phải được quay xuống. Vì vậy, thí nghiệm được thiết kế để xác định xem liệu vướng víu lượng tử có xảy ra trong cặp trong quá trình rơi tự do hay không, khi lực hấp dẫn giữa các viên kim cương là cách duy nhất mà chúng tương tác.

Mazumdar giải thích: “Tuy nhiên, thử nghiệm này rất khó khăn. Khi hai vật thể ở rất gần nhau, một cơ chế tương tác có thể xảy ra khác, hiệu ứng Casimir. Trong chân không, hai vật có thể hút nhau nhờ tác dụng này. ‘Kích thước của hiệu ứng tương đối lớn và để khắc phục tiếng ồn mà nó tạo ra, chúng tôi sẽ phải sử dụng những viên kim cương tương đối lớn.’ Rõ ràng ngay từ đầu rằng tiếng ồn này nên được giảm bớt để làm cho thử nghiệm dễ quản lý hơn. Do đó, Mazumdar muốn biết liệu việc che chắn cho hiệu ứng Casimir có khả thi hay không.

Lệnh đóng cửa

Anh giao vấn đề cho Thomas van de Kamp, sinh viên năm thứ ba Cử nhân Vật lý. Mazumdar nói: “Anh ấy đến gặp tôi vì quan tâm đến lực hấp dẫn lượng tử và muốn thực hiện một dự án nghiên cứu cho luận án Cử nhân của mình. Trong thời gian khóa học mùa xuân, khi hầu hết các lớp học bình thường bị đình chỉ, Van de Kamp bắt đầu giải quyết vấn đề. ‘Trong một thời gian ngắn đáng kể, anh ấy đã trình bày giải pháp của mình, được mô tả trong bài báo của chúng tôi.’

Trong thí nghiệm được đề xuất, hai viên kim cương được xếp chồng lên nhau và nghiên cứu trong tình trạng rơi tự do. Ngoài lực hấp dẫn, hiệu ứng Casimir cũng kéo chúng lại gần nhau, gây ra tiếng ồn trong thí nghiệm. Một tấm đồng mỏng có thể che chắn hiệu ứng này, giảm tiếng ồn và giúp thí nghiệm dễ quản lý hơn. | Hình minh họa Anupam Mazumdar, Đại học Groningen
Trong thí nghiệm được đề xuất, hai viên kim cương được xếp chồng lên nhau và nghiên cứu trong tình trạng rơi tự do. Ngoài lực hấp dẫn, hiệu ứng Casimir cũng kéo chúng lại gần nhau, gây ra tiếng ồn trong thí nghiệm. Một tấm đồng mỏng có thể che chắn hiệu ứng này, giảm tiếng ồn và giúp thí nghiệm dễ quản lý hơn.
Hình minh họa Anupam Mazumdar, Đại học Groningen

Giải pháp này dựa trên việc đặt một tấm dẫn điện bằng đồng, dày khoảng một mm, giữa hai viên kim cương. Tấm chắn thế năng Casimir giữa chúng. Nếu không có đĩa, tiềm năng này sẽ kéo các viên kim cương lại gần nhau hơn. Nhưng với cái đĩa, các viên kim cương không còn hút vào nhau nữa mà nằm ở mảng giữa chúng. Mazumdar: ‘Điều này loại bỏ sự tương tác giữa các viên kim cương thông qua hiệu ứng Casimir, và do đó loại bỏ rất nhiều tiếng ồn từ thí nghiệm.’

Đáng chú ý

Các tính toán do Van de Kamp thực hiện cho thấy khối lượng của hai viên kim cương có thể giảm đi hai bậc của độ lớn. ‘Nó có vẻ là một bước nhỏ, nhưng nó làm cho thử nghiệm ít đòi hỏi hơn.’ Hơn nữa, các thông số khác như mức độ chân không cần thiết trong quá trình thí nghiệm cũng trở nên ít đòi hỏi hơn do sự che chắn của hiệu ứng Casimir. Mazumdar nói rằng một bản cập nhật thêm về thử nghiệm, cũng bao gồm sự đóng góp của sinh viên Cử nhân Thomas van de Kamp, có thể sẽ xuất hiện trong tương lai gần. ‘Vì vậy, dự án kéo dài sáu tháng của anh ấy đã mang lại cho anh ấy quyền đồng tác giả trên hai bài báo, một thành tích khá đáng kể.’


Nguồn truyện:

Tài liệu do Đại học Groningen cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. Thomas W. van de Kamp, Ryan J. Marshman, Sougato Bose, Anupam Mazumdar. Chứng kiến ​​trọng lực lượng tử thông qua sự vướng víu của các khối lượng: sàng lọc Casimir . Đánh giá Vật lý A , 2020; 102 (6) DOI: 10.1103 / PhysRevA.102.062807

Bài viết liên quan

Bài viết mới