Naukowcy wykazali, że do symulacji można wykorzystać zimne atomy fale grawitacyjne w warunkach laboratoryjnych.
Kiedy dwie czarne dziury zderzają się, wysyłają zmarszczki w przestrzeni i czasie, podobnie jak fale rozprzestrzeniające się po stawie. Te zmarszczki, zwane falami grawitacyjnymi, zostały po raz pierwszy przewidziane przez Einsteina w 1916 r. i ostatecznie wykryte we wrześniu 2015 r. przez Obserwatorium Fal Grawitacyjnych Laser Interferometer (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).LIGO). Wykrywanie fal grawitacyjnych to zadziwiające wyzwanie inżynieryjne: uchwycenie fali tak dużej jak nasz Układ Słoneczny wymaga pomiaru zmian odległości mniejszej niż szerokość jądra atomowego.
Ale teraz naukowcy z Instytutu Nauki i Technologii Okinawy (OIST), Uniwersytetu Tohoku i Uniwersytetu Tokijskiego zaproponowali metodę symulacji fal grawitacyjnych na stole laboratoryjnym poprzez kwantowy kondensat zimnych atomów. Wszyscy naukowcy są obecnymi lub byłymi członkami Jednostki Teorii Kwantowej Materii w OIST, a ich odkrycia zostały opublikowane w czasopiśmie Przegląd fizyczny Bgdzie artykuł został wybrany zgodnie z wyborem Redakcji.
Dziedzictwo Einsteina i współczesne wyzwania
Kondensat Bosego-Einsteina i nematyka spinowa
„Ogólna teoria względności Einsteina zmieniła sposób, w jaki myślimy o przestrzeni i czasie” – wspomina profesor Nic Shannon, starszy autor badania i kierownik jednostki. „Nauczyło nas to, że przestrzeń może się zakrzywić, tworząc… czarna dziurai że może wibrować, tworząc fale, które przemierzają wszechświat z prędkością światła. Te fale grawitacyjne zawierają ważne informacje o naszym wszechświecie. Problem w tym, że bardzo, bardzo trudno je zaobserwować.”
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. Ale nawet za pomocą tych instrumentów, które mierzą wiele kilometrów średnicy, możemy wykryć jedynie fale pochodzące z najbardziej gwałtownych wydarzeń astronomicznych, takich jak zderzenia czarnych dziur.
Symulacja numeryczna fal grawitacyjnych w materii w stanie spinowo-nematycznym. Kiedy te wiry łączą się i łączą, tworzą fale, które są matematycznie identyczne z falami grawitacyjnymi, które są zmarszczkami w czasoprzestrzeni przewidzianymi przez Einsteina. Źródło: Chojnacki i in.
Alternatywnym podejściem jest badanie zjawisk na Ziemi, które naśladują różne aspekty ogólnej teorii względności. Przez przypadek zespół zdał sobie sprawę, że zjawisko kwantowe, które badali w laboratorium w kontekście magnesów i zimnych atomów, może stanowić dokładną analogię fal grawitacyjnych.
„Ten wynik jest ważny” – mówi profesor Han Yan z Uniwersytetu Tokijskiego – „ponieważ umożliwia symulację i badanie fal grawitacyjnych w znacznie prostszych warunkach eksperymentalnych, a także wykorzystanie wyników do zrozumienia rzeczywistych fal grawitacyjnych”.
Kondensat Bosego-Einsteina i nematyka spinowa
Oprócz swoich przewidywań dotyczących fal grawitacyjnych Einstein przewidział również, że bozony, rodzaj cząstek kwantowych, mogą po ochłodzeniu istnieć w stanie umożliwiającym utworzenie się kondensatu Bosego-Einsteina (BEC), w wyniku czego grupa cząstek działać w doskonałej jedności.
Zespół skupił się na materii w specyficznym typie BEC, zwanym nematyką spinową. „Fazy nematyczne są wszędzie wokół nas” – wyjaśnia prof. Shannon – „na wyświetlaczach ciekłokrystalicznych (LCD) naszych smartfonów, tabletów i telewizorów”. W wyświetlaczach LCD maleńkie cząsteczki w kształcie pręcików układają się równomiernie i kontrolują przepływ światła na ekranie. Zespół OIST przez jakiś czas badał kwantowe wersje ciekłych kryształów, czyli nematykę spinową. W przeciwieństwie do cząsteczek w wyświetlaczach LCD, cząstki kwantowe w stanie spinowo-nematycznym podtrzymują fale, które przenoszą energię w całym układzie. „Uświadomiliśmy sobie, że właściwości fal w stanie spinowo-nematycznym są matematycznie identyczne z właściwościami fal grawitacyjnych” – mówi prof. Shannon, „a dzięki wcześniejszej pracy z profesorami Rico Pohle i Yutaką Akagi wiedzieliśmy, jak je symulować fale.”
„Zawsze fascynowało mnie to, że pozornie różne zjawiska możemy opisać za pomocą bardzo podobnych struktur matematycznych i dla mnie jest to najpiękniejsza część fizyki” – mówi dr Leilee Chojnacki z jednostki OIST i główny autor badania. „Dlatego bardzo ekscytująca była dla mnie praca nad dwoma bardzo różnymi gałęziami fizyki, falami grawitacyjnymi i fizyką kwantową zimnych atomów, oraz połączenie ich w sposób, który wcześniej nie był badany”.
Odniesienie: „Analogi fal grawitacyjnych w nematyce spinowej i zimnych atomach” Leilee Chojnacki, Rico Pohle, Han Yan, Yutaka Akagi i Nic Shannon, 14 czerwca 2024 r., Przegląd fizyczny B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.109.L220407
Badanie zostało sfinansowane przez Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University oraz Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki.
