De eerste directe detectie van zwaartekrachtsgolven, een fenomeen voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein uit 1915, werd in 2016 door wetenschappers gerapporteerd.

Gewapend met deze "ontdekking van de eeuw", natuurkundigen over de hele wereld hebben nieuwe en betere detectoren van zwaartekrachtsgolven gepland.

Natuurkundige professor Chunnong Zhao en zijn recente promovendi Haixing Miao en Yiqiu Ma zijn leden van een internationaal team dat een bijzonder opwindend nieuw ontwerp voor zwaartekrachtgolfdetectoren heeft gemaakt.

Het nieuwe ontwerp is een echte doorbraak omdat het signalen kan meten onder een limiet die voorheen als een onoverkomelijke barrière werd beschouwd. Natuurkundigen noemen deze limiet de standaard kwantumlimiet. Het wordt bepaald door het kwantumonzekerheidsprincipe.

Het nieuwe ontwerp, gepubliceerd in Natuur tijdschrift deze week, laat zien dat dit geen belemmering meer mag zijn.

Door deze en andere nieuwe benaderingen te gebruiken, kunnen wetenschappers botsingen van zwarte gaten en "ruimtebevingen" in het hele zichtbare universum volgen.

Hoe zwaartekrachtgolfdetectoren werken

Zwaartekrachtgolven zijn geen trillingen die door de ruimte reizen, maar eerder trillingen van de ruimte zelf. Ze hebben ons al verteld over een onverwacht grote populatie zwarte gaten. We hopen dat verdere studie van zwaartekrachtsgolven ons zal helpen ons universum beter te begrijpen.

Maar de technologieën van zwaartekrachtgolfdetectoren zullen waarschijnlijk een enorme betekenis hebben buiten dit aspect van de wetenschap, omdat ze ons op zichzelf leren hoe we ongelooflijk kleine hoeveelheden energie kunnen meten.

Gravitatiegolfdetectoren gebruiken laserlicht om minuscule ruimtetrillingen op te vangen die ontstaan ​​wanneer zwarte gaten botsen. De botsingen veroorzaken enorme zwaartekrachtexplosies. Het zijn de grootste explosies die bekend zijn in het universum, massa direct omzetten in trillingen van pure ruimte.

Het kost enorme hoeveelheden energie om de ruimte te laten buigen en rimpelen. Onze detectoren – voortreffelijk perfecte apparaten die grote zware spiegels met angstaanjagend krachtige lasers gebruiken – moeten de ruimte meten met slechts een miljardste van een miljardste van een meter over de vier kilometer schaal van onze detectoren. Deze metingen vertegenwoordigen al de kleinste hoeveelheid energie die ooit is gemeten.

Maar voor zwaartekrachtsgolfastronomen is dit niet goed genoeg. Ze hebben nog meer gevoeligheid nodig om veel meer voorspelde zwaartekracht "geluiden" te kunnen horen, inclusief het geluid van het moment dat het heelal ontstond in de oerknal.

Hier komt het nieuwe ontwerp om de hoek kijken.

Een spookachtig idee van Einstein

Het nieuwe concept is gebaseerd op origineel werk van Albert Einstein.

In 1935 probeerden Albert Einstein en medewerkers Boris Podolsky en Nathan Rosen de theorie van de kwantummechanica te ontkrachten door aan te tonen dat het absurde correlaties voorspelde tussen ver uit elkaar liggende deeltjes.

Einstein bewees dat als de kwantumtheorie correct was, dan zouden paren ver uit elkaar staande objecten verstrikt kunnen raken als twee vliegen die verstrikt zijn in een spinnenweb. Raar, de verstrengeling nam niet af, hoe ver je de objecten ook uit elkaar hebt laten bewegen.

Einstein noemde verstrengeling "spookachtige actie op afstand". Hij was er zeker van dat zijn ontdekking voor eens en altijd een einde zou maken aan de theorie van de kwantummechanica, maar dit mocht niet.

Sinds de jaren tachtig hebben natuurkundigen keer op keer aangetoond dat kwantumverstrengeling echt is. Hoe erg hij het ook haatte, Einsteins voorspelling was juist en tot zijn ergernis, de kwantumtheorie klopte. Dingen op afstand kunnen verstrikt raken.

Tegenwoordig zijn natuurkundigen gewend geraakt aan de "spookachtigheid", en de theorie van verstrengeling is gebruikt voor het verzenden van geheime codes die niet kunnen worden onderschept.

Rond de wereld, organisaties zoals Google en IBM en academische laboratoria proberen kwantumcomputers te maken die afhankelijk zijn van verstrengeling.

En nu willen Zhao en collega's het concept van verstrengeling gebruiken om het ontwerp van de nieuwe zwaartekrachtgolfdetector te creëren.

Een nieuwe manier om zwaartekrachtsgolven te meten

Het opwindende aspect van het nieuwe detectorontwerp is dat het eigenlijk gewoon een nieuwe manier is om bestaande detectoren te bedienen. Het gebruikt de detector gewoon twee keer.

Een keer, fotonen in de detector worden door de zwaartekrachtsgolf veranderd om de golven op te pikken. De tweede keer, de detector wordt gebruikt om de kwantumverstrengeling zodanig te veranderen dat de ruis als gevolg van kwantumonzekerheid niet wordt gedetecteerd.

Het enige dat wordt gedetecteerd, is de beweging van de verre spiegels veroorzaakt door de zwaartekrachtsgolf. De kwantumruis van het onzekerheidsprincipe komt niet voor in de meting.

Om het te laten werken, je moet beginnen met verstrengelde fotonen die zijn gemaakt door een apparaat dat een kwantumpers wordt genoemd. Deze technologie werd ontwikkeld voor zwaartekrachtsgolfastronomie aan de Australian National University, en is nu een gevestigde techniek.

Zoals veel van de beste ideeën, het nieuwe idee is heel eenvoudig, maar een die enorm inzicht vergde om te herkennen. Je injecteert een minuscule hoeveelheid geperst licht uit een kwantumpers, en gebruik het twee keer!

Over de hele wereld bereiden natuurkundigen zich voor om de nieuwe theorie te testen en de beste manier te vinden om deze in hun detectoren te implementeren. Een daarvan is de GEO-zwaartekrachtgolfdetector in Hannover in Duitsland, die een testbed is geweest voor veel van de nieuwe technologieën die vorig jaar de gedenkwaardige ontdekking van zwaartekrachtsgolven mogelijk maakten.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.