Är gravitation ett kvantfenomen? Det har varit en av de stora framstående frågorna inom fysiken i årtionden. Tillsammans med kollegor från Storbritannien, Anupam Mazumdar, en fysiker från universitetet i Groningen, föreslog ett experiment som skulle kunna lösa problemet. Dock, det kräver att man studerar två mycket stora intrasslade kvantsystem i fritt fall. I ett nytt papper, som har en tredjeårs kandidatstudent som första författare, Mazumdar presenterar ett sätt att minska bakgrundsbruset för att göra detta experiment mer hanterbart.

Tre av fysikens fyra grundläggande krafter kan beskrivas i termer av kvantteorin. Detta är inte fallet för den fjärde kraften (tyngdkraften), som beskrivs av Einsteins allmänna relativitetsteori. Experimentet som Mazumdar och hans kollegor tidigare utformat kan bevisa eller motbevisa tyngdkraftens kvantitet.

Superposition

En välkänd konsekvens av kvantteorin är det fenomen som kallas kvantsuperposition:i vissa situationer, kvanttillstånd kan ha två olika värden samtidigt. Ta en elektron som bestrålas med laserljus. Kvantteorin säger att den antingen kan absorbera eller inte absorbera fotonenergin från ljuset. Att absorbera energin skulle förändra elektronens spinn, ett magnetiskt moment som kan vara antingen uppåt eller nedåt. Resultatet av kvantsuperposition är att spinnet är både upp och ner.

Dessa kvanteffekter äger rum i små föremål, såsom elektroner. Genom att rikta in sig på en elektron i en speciellt konstruerad miniatyrdiamant, det är möjligt att skapa superposition i ett mycket större objekt. Diamanten är tillräckligt liten för att upprätthålla denna superposition, men också tillräckligt stor för att känna dragkraften. Denna egenskap är vad experimentet utnyttjar:att placera två av dessa diamanter bredvid varandra i fritt fall och, därför, eliminerar extern gravitation. Det betyder att de endast interagerar genom gravitationen mellan dem.

Utmanande

Och det är där ett annat kvantfenomen kommer in. Kvantintrassling betyder att när två eller flera partiklar genereras i närheten, deras kvanttillstånd är sammanlänkade. När det gäller diamanter, om man snurrar upp sig, den andra, intrasslad diamant ska snurras ner. Så, experimentet är utformat för att avgöra om kvantintrassling sker i paret under fritt fall, när tyngdkraften mellan diamanterna är det enda sättet att de interagerar.

"Dock, detta experiment är mycket utmanande, " förklarar Mazumdar. När två objekt är mycket nära varandra, en annan möjlig mekanism för interaktion finns, Casimir -effekten. I ett vakuum, två objekt kan attrahera varandra genom denna effekt. "Storleken på effekten är relativt stor och för att övervinna bruset den skapar, vi skulle behöva använda relativt stora diamanter." Det stod klart från början att detta ljud borde minskas för att göra experimentet mer hanterbart. Därför Mazumdar ville veta om skärmning för Casimir-effekten var möjlig.

Nedstängning

Han överlämnade problemet till Thomas van de Kamp, en tredjeårs kandidatexamen i fysik. "Han kom till mig för att han var intresserad av kvantgravitation och ville göra ett forskningsprojekt för sin kandidatuppsats, " säger Mazumdar. Under vårens lockdown, när de flesta normala klasser var inställda, Van de Kamp började arbeta med problemet. "Inom en anmärkningsvärt kort tid, han presenterade sin lösning, som beskrivs i vårt papper. "

Denna lösning är baserad på att placera en ledande platta av koppar, cirka en millimeter tjock, mellan de två diamanterna. Plattan skyddar Casimir-potentialen mellan dem. Utan tallriken, denna potential skulle dra diamanterna närmare varandra. Men med tallriken, diamanterna attraheras inte längre av varandra, men till tallriken mellan dem. Mazumdar:"Detta tar bort interaktionen mellan diamanterna genom Casimir-effekten, och tar därför bort mycket buller från experimentet."

Anmärkningsvärd

Beräkningarna utförda av Van de Kamp visar att massorna av de två diamanterna kan reduceras med två storleksordningar. "Det kan verka som ett litet steg, men det gör försöket mindre krävande. "Dessutom, andra parametrar såsom nivån av vakuum som behövs under experimentet blir också mindre krävande på grund av avskärmningen av Casimir-effekten. Mazumdar säger att en ytterligare uppdatering av experimentet, som även inkluderar ett bidrag från kandidatstudenten Thomas van de Kamp, kommer troligen att dyka upp inom en snar framtid. "Så, hans sexmånadersprojekt har gett honom medförfattarskap på två papper, en ganska anmärkningsvärd bedrift."