Naukowcy wykazali, że zimne atomy można wykorzystać do symulacji fal grawitacyjnych w warunkach laboratoryjnych.
Gdy dwie czarne dziury zderzają się, wysyłają fale w przestrzeni i czasie, podobnie jak fale rozprzestrzeniające się po stawie. Fale te, znane jako fale grawitacyjne, zostały po raz pierwszy przewidziane przez Einsteina w 1916 r. i ostatecznie wykryte we wrześniu 2015 r. przez Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Wykrywanie fal grawitacyjnych to oszałamiające wyzwanie inżynieryjne: uchwycenie fali tak dużej jak nasz Układ Słoneczny wymaga pomiaru zmian odległości mniejszych niż szerokość jądra atomowego.
Teraz naukowcy z Okinawa Institute for Science and Technology (OIST), University of Tohoku i University of Tokyo zaproponowali metodę symulacji fal grawitacyjnych na stole laboratoryjnym za pomocą kondensatu kwantowego zimnych atomów.
Dziedzictwo Einsteina i współczesne wyzwania
Teoria ogólnej teorii względności Einsteina zmieniła sposób, w jaki myślimy o przestrzeni i czasie. Nauczyła nas, że przestrzeń może się wyginać, tworząc czarną dziurę, i że może wibrować, tworząc fale, które przecinają wszechświat z prędkością światła. Te fale grawitacyjne zawierają ważne informacje o naszym wszechświecie. Problem polega na tym, że są bardzo, bardzo trudne do zaobserwowania.
Aby sprostać temu wyzwaniu, naukowcy zbudowali gigantyczne teleskopy fal grawitacyjnych, takie jak LIGO w USA, interferometr Virgo w Europie i detektor fal grawitacyjnych Kamioka (KAGRA) w Japonii. Jednak nawet przy użyciu tych instrumentów o średnicy wielu kilometrów możemy wykryć tylko fale pochodzące z najbardziej gwałtownych zdarzeń astronomicznych, takich jak zderzenia czarnych dziur.
Alternatywnym podejściem jest zbadanie zjawisk na Ziemi, które naśladują różne aspekty ogólnej teorii względności. Zespół przypadkowo zdał sobie sprawę, że zjawisko kwantowe, które badali w kontekście magnesów i zimnych atomów w laboratorium, może stanowić dokładny analog fal grawitacyjnych.
Ten wynik jest ważny, ponieważ umożliwia symulację i badanie fal grawitacyjnych w znacznie prostszym środowisku eksperymentalnym i wykorzystanie wyników, aby pomóc nam zrozumieć prawdziwe fale grawitacyjne.
Numeryczna symulacja fal grawitacyjnych w materii w stanie spin-nematycznym. Gdy te wiry spiralnie się łączą i łączą, tworzą fale, które są matematycznie identyczne z falami grawitacyjnymi, które są zmarszczkami w czasoprzestrzeni przewidzianymi przez Einsteina. Źródło: Chojnacki i in.
Kondensat Bosego-Einsteina
Oprócz swoich przewidywań dotyczących fal grawitacyjnych, Einstein przewidział również, że bozony, rodzaj cząstek kwantowych, mogą po ochłodzeniu istnieć w stanie umożliwiającym utworzenie kondensatu Bosego-Einsteina (BEC), w którym grupa cząstek działa w idealnej harmonii. Zespół skupił się na materii w określonym typie BEC, zwanym nematykami spinowymi.
Fazy nematyczne są wszędzie wokół nas: w wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD) naszych smartfonów, tabletów i telewizorów. W wyświetlaczach LCD maleńkie cząsteczki w kształcie prętów ustawiają się równomiernie i kontrolują przepływ światła na ekranie. Zespół OIST od jakiegoś czasu badał kwantowe wersje kryształów ciekłych, spin-nematyków. W przeciwieństwie do cząsteczek w wyświetlaczach LCD, cząstki kwantowe w stanie spin-nematycznym podtrzymują fale, które przenoszą energię przez układ.
Naukowcy zdali sobie sprawę, że właściwości fal w stanie spin-nematycznym są matematycznie identyczne z właściwościami fal grawitacyjnych i dzięki wcześniejszym pracom w tej dziedzinie wiedzieli, jak symulować te fale.
„Zawsze fascynował mnie fakt, że możemy opisać to, co wydaje się być różnymi zjawiskami, za pomocą bardzo podobnych, leżących u ich podstaw struktur matematycznych, a dla mnie jest to najpiękniejsza część fizyki” — mówi dr Leilee Chojnacki z jednostki OIST i główna autorka badania. „Dlatego bardzo ekscytujące było dla mnie pracowanie nad dwiema bardzo różnymi gałęziami fizyki, falami grawitacyjnymi i fizyką kwantową zimnych atomów, i połączenie ich w sposób, który wcześniej nie był badany”.
Więcej informacji: publikacja „Gravitational wave analogs in spin nematics and cold atoms” autorstwa Leilee Chojnacki i in., Physical Review B. (2024) DOI: 10.1103/PhysRevB.109.L220407
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Źródło ilustracji: SciTechDaily
