İnsan Ölçeğindeki Bir Kütle, İlk Defa Kuantum Durumda Kalmaya Zorlandı ve Bu, Kütleçekim Araştırmalarında Çığır Açabilir!

İnsan gözüne, durağan nesneler tam da öyle görünür: tamamen hareketsiz ve durgundurlar. Ama nesneleri tek tek atom ölçeğinde görmemizi sağlayan bir kuantum merceği verilseydi, masamızda boş boş duran bir elma, muazzam bir hareket halinde titreşen parçacıkların iç içe geçtiği bir çorba gibi görünürdü.

Son birkaç on yılda fizikçiler, atomları neredeyse durma noktasına gelece, yani bilimsel tabiriyle "hareketsel temel duruma" gelecek düzeyde süper-soğutmanın yollarını bulmayı başardılar. Fizikçiler bugüne kadar milyonlarca atomdan oluşan bulutları veya nanogram ölçeğindeki cisimler gibi küçük nesneleri, bu tür saf kuantum hallerine dönüştürdüler.

Şimdi ilk kez, MIT'de ve diğer üniversitelerde görev yapan bir grup bilim insanı, insan ölçeğinde olacak kadar büyük bir nesneyi hareketsel temel durumuna yakın olacak şekilde soğutmayı başardılar. Nesne, tek bir yerde bulunma anlamında somut bir nesne değildi; ancak her biri yaklaşık 40 kilogram ağırlığındaki dört ayrı nesnenin birleşik hareketinin oluşturduğu bir nesneydi. Araştırmacıların soğuttuğu "nesne"nin tahmini kütlesi yaklaşık 10 kilogramdı ve yaklaşık 1x10²⁶ adet, yani yaklaşık 1 oktilyon atom içeriyordu.

Araştırmacılar, Lazer Interfrometre Kütleçekim Dalgası Gözlemevi'nin (LIGO) kütlelerin hareketini aşırı yüksek hassasiyetle ölçme ve kütlelerin toplu hareketini 77 nanokelvin'e kadar süper-soğutabilme yeteneğinden yararlandı. Bu sıcaklık, kullanılan nesnenin temel duruma erişeceği tahmin edilen 10 nanokelvinin azıcık uzağındaydı.

Araştırmanın Science'ta yayınlanan sonuçları, bugüne kadar hareketsel temel durumuna yakın olacak şekilde soğutulabilen en büyük nesneyi ilan etmiş oluyor.^[1] Bilim insanları, artık kütleçekiminin devasa bir kuantum nesnesi üzerindeki etkisini gözlemleme şansına sahip olduklarını söylüyorlar. MIT'de makine mühendisliği yardımcı doçenti olan ve projeyi yöneten Vivishek Sudhir şöyle diyor:

Hiç kimse kütleçekiminin devasa kuantum durumları üzerine nasıl etki ettiğini gözlemlememişti. Bu çalışmamızda, kilogram ölçekli nesnelerin kuantum durumlarda nasıl hazırlanabileceğini gösterdik. Bu, nihayet, şimdiye kadar yalnızca hayal edilen bir şey olan kütleçekiminin büyük kuantum nesnelerini nasıl etkileyebileceğine dair deneysel çalışmaların kapısını açıyor.

Danny Sellers

Hassas Geri Besleme

Tüm nesneler, atomların birbirleriyle ve dış etmenlerle etkileşiminden kaynaklanan çok sayıda etkileşimin bir sonucu olan şekilde bir tür harekete sahiptir. Tüm bu rastgele hareket, bir nesnenin sıcaklığına yansır. Bir nesne mutlak sıfıra (0 Kelvin ya da -273.15 santigrat dereceye) yakın bir sıcaklığa kadar soğutulduğunda bile, hala "hareketsel temel durum" adı verilen, artık bir kuantum harekete sahip olacaktır.

Hareket halindeki bir cismi durdurmak için, onun hareketine sebep olan kuvvete eşit ve zıt yönlü bir kuvvet uygularız. Örneğin size doğru hızla gelen bir basketbol topunu durdurabilmenizin tek yolu, elinizle (veya vücudunuzla) onun hızını sıfıra indirecek düzeyde, harekete zıt yönlü bir kuvvet uygulamaktır. Bilim insanları, eğer bir atomun hareketlerinin büyüklüğünü ve yönünü tam olarak ölçmeyi başarırlarsa, o cismin sıcaklığını düşürmek için o harekete karşı kuvvetler uygulayabilirler. Bu, geri besleme soğutması olarak bilinen bir tekniktir.

Bugüne kadar fizikçiler, tekil atomları ve ultra hafif nesneleri kuantum temel durumlarına getirmek için lazer ışığı da dahil olmak üzere çeşitli yollarla geri beslemeli soğutma uyguladılar ve daha büyük, yani "geleneksel olarak klasik" olarak tabir edilen sistemlerde kuantum etkilerini incelemek için giderek daha büyük nesneleri süper-soğutmaya çalıştılar. Sudhir şöyle diyor:

Bir şeyin sıcaklığa sahip olması, etrafındaki şeylerle etkileşime girdiğini gösterir. Ve daha büyük nesneleri etraflarında olup bitenlerden izole etmek daha zordur [bu nedenle onları soğutmak da daha zordur].

Büyük bir nesnenin atomlarını temel duruma yakın bir duruma dek soğutmak için, önce bu hareketi durdurmak için gereken geri besleme derecesini bilmek gerekir. Bunun içinse, o nesnenin tüm atomların hareketlerini aşırı yüksek hassasiyetle ölçmek gerekir. Dünyada çok az enstrüman böyle bir hassasiyete ulaşabilir. İşte LIGO, bunlardan biridir.

Danny Sellers

Kütleçekimi dalgalarını algılayabilen gözlemevi, ABD'deki birden fazla noktada bulunan ikiz interferometreler içerir. Her interferometre, L şeklinde birbirine bağlı olan ve her iki yönde de 4 kilometre uzanan iki uzun tünele sahiptir. Her tünelin her iki ucunda, interferometreye doğru gelen kütleçekim dalgası gibi düzensizliklere tepki olarak bir sarkaç gibi sallanan, ince liflerle asılı 40 kilogramlık birer ayna bulunur. Tünellerin bağlantı noktasında bulunan bir lazer ikiye bölünür ve her tünele gönderilir, ardından kaynağına geri yansıtılır. Lazerlerinin aynalardan yansıyıp geri gelme süresi, bilim insanlarına her bir aynanın bir protonun genişliğinin 1/10.000'i kadar bir hassasiyetle, kütleçekim dalgası gibi bir pertürbasyon altında ne kadar hareket ettiğini söyleyebilir.

Sudhir ve meslektaşları, önce insan ölçeğindeki büyük nesnelerin hareketini ölçmek için LIGO'nun hareket ölçüm hassasiyetini kullanıp kullanamayacaklarını, ardındansa nesneleri temel durumlarına getirmek için ölçtüklerinin tersine bir karşı kuvvet uygulayıp uygulayamayacaklarını merak ettiler.

Ters Hareketin Tersine Hareket!

Soğutmayı amaçladıkları nesne, tek bir ayna değil, LIGO'nun dört aynasının hepsinin birleşik hareketiydi. Sudhir, şöyle anlatıyor:

LIGO, 40 kilogramlık dört aynanın ortak hareketini ölçmek için tasarlandı. Görünüşe göre bu kütlelerin ortak hareketini matematiksel olarak haritalayabilir ve onları 10 kilogramlık tek bir nesnenin hareketi olarak düşünebilirsiniz.

Sudhir, atomların hareketini ve diğer kuantum etkilerini ölçerken, ölçme eyleminin bile aynayı rastgele iteleyip onu harekete geçirebileceğini söylüyor. Bu, "ölçüm ters hareketi" adı verilen bir kuantum etkisidir. Hareket hakkında bilgi toplamak için bir aynaya gönderilen lazer ışınını oluşturan fotonlar, bu aynadan yansırken, fotonun sahip olduğu momentum dolayısıyla aynayı geriye iterler. Sudhir ve meslektaşları, LIGO'da olduğu gibi aynaların hareketini sürekli ölçerek, daha sonradan gelen fotonlar tarafından taşınan bilgilerde, geçmiş fotonlardan kaynaklı rastgele geri tepmenin etkilerinin gözlemlenebileceğini fark ettiler.

Danny Sellers

Her aynada hem kuantum hem de klasik bozulmaların eksiksiz bir kaydını elde etmeyi başaran araştırmacılar, her aynanın arkasına bağlı elektromıknatısları kullanarak, aynanın hareketine eşit ve zıt olacak bir kuvvet uyguladılar. Bu etki, kolektif hareketi neredeyse durma noktasına getirdi ve aynalarda o kadar az enerji bıraktı ki, aynalardaki hareket 10^-20 metreden daha düşük bir düzeye, yani bir protonun boyutunun binde birinden daha kısa bir mesafeye inecek kadar azaldı.

Ekip, daha sonra nesnenin kalan enerjisini veya hareketini sıcaklıkla ilişkilendirdi ve nesnenin 77 nanokelvin'de sabitlendiğini buldu. Bu, araştırmacıların aynanın hareketsel temel duruma erişeceğini tahmin ettikleri 10 nanokelvine çok yakındı. Sudhir, şöyle diyor:

Bu, atom fizikçilerinin atomları temel durumlarına ulaşmaları için soğuttuğu sıcaklıkla karşılaştırılabilir düzeydedir. Ancak onların kullandığı toplamda pikgramlar seviyesinde bir kütleye sahip olan, belki 1 milyon civarında atomdan oluşan küçük bir buluttur. Bu çalışmada çok daha ağır bir nesneyi aynı sıcaklığa dek soğutabilmemiz dikkat çekici ve önemlidir.

Whittle ise şöyle diyor:

Bir şeyi temel duruma ulaşacak şekilde hazırlamak, onu heyecan verici veya egzotik kuantum durumlarına sokmanın genellikle ilk adımıdır. Yani bu çalışma heyecan verici, çünkü bu diğer durumların bazılarını, daha önce hiç yapılmamış bir kütle ölçeğinde incelememize izin verebilir.