Kiryl Pro Motion/Getty Images

På den minsta skalan trotsar den fysiska verkligheten vardagens intuition. Kvantmekaniken är vårt mest pålitliga ramverk för att förklara hur atomer och subatomära partiklar beter sig. När den kombineras med fältteori målar den upp en bild där stora, ständigt närvarande fält - ungefär som elektriska och magnetiska fält - ger upphov till de partiklar som utgör materia. I den här bilden beskriver standardmodellen 12 materiafält och fyra kraftfält, de senare representerar elektromagnetiska, svaga, starka och gravitationella interaktioner. Medan de tre första krafterna är integrerade i modellen, förblir gravitationen en extremist.

Einsteins genombrott kom med den allmänna relativitetsteorien, som identifierade gravitationen inte som en kraft utan som krökningen av själva rumtiden. Att förena denna geometriska syn med kvantteorins probabilistiska natur har varit en långvarig utmaning. För närvarande är en komplett kvantteori om gravitation fortfarande svårfångad, men experimentella framsteg accelererar.

Kombinera två banbrytande tekniker för att mäta små rörelser

rangizzz/Shutterstock

Allmän relativitetsteori bryter ner nära extrema masskoncentrationer, som svarta hål, vilket tyder på att en djupare teori krävs - en som förenar kvantmekanik med gravitation. MIT-forskare är banbrytande experimentella tester som kan undersöka kvantaspekterna av gravitationen, och lasrar spelar en central roll i deras tillvägagångssätt.

Teamets första artikel, "Aktiv laserkylning av en torsionsoscillator i centimeterskala", publicerades i Optica. Den rapporterar framgångsrik laserkylning av en centimeterlång torsionsoscillator – en enhet som traditionellt används vid precisionsgravitationsmätningar – ner från rumstemperatur till 10 mK (en tusendels kelvin). Denna kylning gör oscillatorn kvantvänlig samtidigt som den bevarar dess makroskopiska storlek, vilket gör den till en idealisk testbädd för att studera gravitationens interaktion med kvantsystem.

Det som skiljer detta arbete åt är sammansmältningen av två distinkta laserbaserade metoder. Laserkylning av atomgaser har länge etablerats, men att tillämpa samma princip på en mekanisk oscillator av denna storlek är aldrig tidigare skådad. Detta genombrott öppnar dörren till experiment som direkt kan observera gravitationens kvantsignatur.

Speglade optiska spakar:skärpning av känslighet för små lutningar

Sakkamesterke/Getty Images

I experimentet använde forskarna en spegelvänd optisk spak. Konventionella optiska spakartekniker belyser en spegel med en laser och upptäcker små vinkelförändringar via den reflekterade strålen. Miljöstörningar – luftströmmar, mekaniska vibrationer eller optiska brister – maskerar sig dock ofta som falska rörelser.

Genom att använda en spegelvänd optisk nivå – i huvudsak en motspridande stråle som speglar originalet – elimineras bruset från dessa störningar effektivt. När de två strålarna konvergerar vid detektorn undertrycks jitter från yttre faktorer, vilket lämnar en ren signal från själva oscillatorn. Denna konfiguration med dubbla strålar reducerade bruset med en faktor tusen, vilket möjliggör detektering av rörelse med oöverträffad precision.

I det här skedet kan teamet mäta svängningar med känslighet tio gånger finare än enhetens kvantnollpunktsfluktuationer. Även om detta är en anmärkningsvärd prestation, krävs ytterligare förfining för att testa gravitationens kvantnatur direkt. Nästa steg innebär att förbättra den optiska interaktionen så att två torsionsoscillatorer kan interagera uteslutande genom sin ömsesidiga gravitationsattraktion – en uppsättning som äntligen kan avslöja om gravitationen beter sig kvantmekaniskt.

Allt eftersom forskningen fortskrider är MIT-forskare redo att tänja på gränserna för precisionsmätning, vilket kan ge det första experimentella beviset på att gravitationen verkligen är en kvantkraft.