Физики из России, Дании, Греции и Германии, работающие под руководством Юджина Ползика (Eugene S. Polzik), нашли способ вдвое увеличить чувствительность гравитационных обсерваторий, подобных LIGO и Virgo. Ученые предложили способ избавиться от одного из видов шума, возникающего из-за квантовой природы света. В первой серии экспериментов шумы от квантовой обратной связи удалось снизить на треть. Исследование опубликовано в Nature, кратко о нем сообщает редакционная статья журнала. Подробности работы Юджин Ползик доложил в рамках конференции ICQT-2017, которая проходит в эти дни в Москве.

Гравитационные обсерватории представляют собой гигантские интерферометры, длины плеч которых достигают четырех километров. С их помощью ученые пытаются зафиксировать гравитационные волны — слабую «рябь» пространства, возникающую, например, при слияниях черных дыр. В соответствии с общей теорией относительности источником гравитационных волн могут быть массивные тела, движущиеся с нецентросимметричным ускорением: например, пара сближающихся по спирали тел. Волны представляют собой колебания метрики — расстояний в пространстве. В случае небольших тел они чрезвычайно малы — даже для черных дыр массой в десятки солнечных, сливающихся на расстоянии порядка миллиарда километров от Земли они не превышают одной доли в ста миллиардах миллиардов (10–20). 

Чтобы увидеть настолько слабые колебания необходимо необычайно точное оборудование. Интерферометр LIGO в состоянии заметить колебания расстояний, значительно меньше, чем радиус протона. Однако на такой точности возникают необычные источники погрешности, связанные с квантовой природой света. 

В LIGO свет дважды пролетает через четырехкилометровые плечи, в конце которых располагается зеркало. Суть измерения в том, чтобы очень точно выяснить, как сильно меняется длина плеча при прохождении гравитационных волн. Оказывается, что на огромной чувствительности источником погрешности оказывается вибрация зеркала под действием давления света. Более того, погрешность связана с тем, что невозможно точно определить, какое количество фотонов ударяется о зеркало в данный момент времени. 

Основная идея Юджина Ползика и его команды заключалась в следующем. Проблема точного измерения длины плеча напрямую связана с измерением траектории света в нем. В квантовой механике траектории квантовых частиц нельзя выразить в виде привычной линии — они скорее представляют собой облака вероятности обнаружить частицу в данной области пространства. Но, как отмечает Пользак, так траектория выглядит относительно классической точки отсчета. 

Эксперимент в представлении художника. Bastian Leonhardt Strube and Mads Vadsholt

Траектории частиц относительно квантовой системы. Слева направо: когерентное состояние, сжатое состояние, состояние с «положительной» массой и состояние, ведущее себя словно бы у него отрицательная масса. Eugene S. Polzik and Klemens Hammerer / arXiv.org, 2014

Физики отмечают, что вместо классической системы отсчета можно выбрать другой объект, квантовый. Более того, его можно сделать жестко скоррелированным с квантовой частицей, чью траекторию мы пытаемся измерить. Тогда неопределенность определения координаты взаимно уничтожается и относительная траектория квантовой частицы оказывается классической кривой. 

Применительно к LIGO необходимо связать механические вибрации зеркала с некоторой системой. Чтобы погрешность от светового давления взаимоуничтожалась с точкой отсчета, давление света на зеркало и на систему отсчета должно быть направлено в одну сторону. Это означает, что система отсчета должна вести себя так, словно она имеет отрицательную массу (хотя она, очевидно, обязана иметь реальную положительную массу). Подобные объекты известны в физике — например, это возбужденные системы атомов. В противоположность зеркалу они могут «притягиваться» к источнику света, а не отталкиваться от него.

«Атомная» часть экспериментальной установки. Ola J. Joensen

В эксперименте когерентный свет лазера сначала проходил через ансамбль атомов, а потом отражался от микромеханической мембраны. Колебания мембраны с оказывались связаны с состояниями фотонов лазерного пучка и, через них, с колебаниями атомов. Затем физики измеряли результат интерференции отраженного пучка света с прошедшим через облако атомов. В первых экспериментах уровень шумов удалось снизить на 34 процента.

Как отмечает Ползик, чтобы внедрить систему в LIGO потребуется поместить ансамбль атомов на пути киловаттного пучка лазера. Одна из главных сложностей на данном этапе — эксперимент поставлен для лазера с длиной волны 852 нанометра, а в LIGO используется лазер с длиной волны 1064 нанометра.

Эксперимент LIGO состоит из двух детекторов, расположенных на расстоянии свыше трех тысяч километров друг от друга — в штатах Луизиана и Вашингтон. Каждый из них представляет собой Г-образный интерферометр Майкельсона. В феврале 2016 года LIGO и VIRGO заявилио первом успешно событии регистрации гравитационных волн — колебаний геометрии пространства-времени. 14 сентября 2015 года сквозь Землю прошли волны, созданные слиянием двух черных дыр c массами около 29 и 36 масс Солнца. Второе событие было зафиксировано 26 декабря 2015 года, статистическая значимость его регистрации превышает пять сигма. Третье событие было обнаружено 4 января 2017 года.

Автор: Владимир Королёв