De kwantummechanica beschrijft niet alleen hoe de wereld werkt op de kleinste schaal, maar beïnvloedt ook de beweging van macroscopische objecten. Een internationaal onderzoeksteam, waaronder vier wetenschappers van de MPI for Gravitational Physics (Albert-Einstein-Institut/AEI) en de Leibniz University in Hannover, Duitsland, heeft laten zien hoe ze de beweging van spiegels kunnen beïnvloeden, elk met een gewicht van meer dan 40 kg, in de Advanced Virgo zwaartekracht-golfdetector door het opzettelijke gebruik van kwantummechanica. De kern van hun experiment dat vandaag is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven is een samengedrukte lichtbron, ontwikkeld en gebouwd aan de AEI in Hannover, die speciaal afgestemde laserstraling genereert en de meetgevoeligheid van de detector tijdens het observeren verbetert.

De kwantummechanische wereld van waarschijnlijkheden en onzekerheden bepaalt ook het gedrag van de kilometergrote zwaartekrachtgolfdetectoren Advanced LIGO, Gevorderde Maagd, en GEO600. De gevoeligheid van deze uiterst nauwkeurige instrumenten voor zwaartekrachtsgolven, veroorzaakt, bijvoorbeeld, door verre fusies van zwarte gaten - wordt momenteel beperkt door kwantummechanische achtergrondruis.

De onzekerheid van Heisenberg beperkt de detectoren

In de detectoren laserlicht wordt gebruikt om met de hoogste precisie de relatieve positie van spiegels kilometers uit elkaar te meten. Zelfs als er geen zwaartekrachtgolfsignalen of ruisbronnen zijn, deze spiegelpositiemetingen zouden een lichte jitter vertonen.

De reden hiervoor is het onzekerheidsprincipe van Heisenberg. Volgens deze hoeksteen van de kwantummechanica, gelijktijdige metingen van twee gerelateerde grootheden zijn onmogelijk met willekeurige nauwkeurigheid; ze zijn wazig, of onzeker. Echter, de meetonnauwkeurigheid van een van de twee grootheden kan worden verminderd, maar alleen ten koste van een grotere onnauwkeurigheid bij het meten van de andere grootheid.

In zwaartekrachtgolfdetectoren wordt schotgeluid - het gekletter van de willekeurig en onregelmatig aankomende lichtdeeltjes - meestal verminderd. Deze truc is nodig omdat deze kwantummechanische achtergrondruis de gevoeligheid van de detectoren bij hoge meetfrequenties waarmee ze in de kosmos luisteren, beperkt.

Er bestaat niet zoiets als een gratis lunch

Volgens de onzekerheidsrelatie, echter, verminderde schotruis resulteert in verhoogde stralingsdrukruis:De kracht waarmee de stroom lichtdeeltjes op de spiegels drukt, fluctueert sterker. Als resultaat, de spiegels bewegen meer heen en weer, simpelweg vanwege de effecten van de kwantummechanica.

"Er bestaat niet zoiets als een gratis lunch:als je de kwantummechanische achtergrondruis bij hoge frequenties vermindert met behulp van huidige geperste lichtbronnen, je betaalt een prijs. En deze prijs is verhoogde kwantumruis - en dus verminderde meetnauwkeurigheid - bij lagere frequenties, " legt Moritz Mehmet uit, onderzoeker aan de AEI Hannover.

Enorme spiegels bewegen

Tot nu, andere technische ruisbronnen hebben deze toename van stralingsdrukruis in zwaartekrachtgolfdetectoren verborgen. Alleen nu, tijdens Advanced LIGO's en Advanced Virgo's derde observatierun (april 2019 tot maart 2020) is deze detectie een mogelijkheid geworden met behulp van geperste lichtbronnen en het verminderen van andere ruisbronnen.

"Als we bijzonder sterk geperst licht gebruiken, we zien duidelijk een extra jitter van de 42 kilogram spiegels in de Advanced Virgo-detector - echt macroscopische objecten - bij lage frequenties. Dit komt door kwantummechanische effecten, " zegt Henning Vahlbruch, een onderzoeker aan de AEI Hannover.

Deze nieuwe meting is alleen mogelijk omdat de onderzoekers fluctuaties van de spiegelposities tot minder dan een duizendste van een protondiameter kunnen bepalen. Eerdere metingen van dit effect in laboratoriumexperimenten gebruikten massa's die 10 miljoen keer lichter waren dan de Advanced Virgo-spiegels.

Knijplicht pionier GEO600

Sinds 2010, de Duits-Britse GEO600-detector heeft een samengedrukte lichtbron gebruikt. GEO600 speelt op dit gebied een voortrekkersrol. In de derde gezamenlijke waarnemingsrun (april 2019 tot eind maart 2020), de twee Advanced LIGO-detectoren en de Advanced Virgo-detector maakten ook gebruik van geperst licht. Bij het Advanced Virgo-instrument, een samengedrukte lichtbron die is ontwikkeld en gebouwd op de AEI Hannover op basis van het ontwerp dat is getest bij GEO600, is in gebruik.

In de toekomst, geperste lichtbronnen zullen moeten worden aangepast om de gevoeligheid van zwaartekrachtgolfdetectoren verder te vergroten. De zorgvuldig afgestemde laserstraling die ze genereren, mag niet meer op alle frequenties hetzelfde zijn. De eigenschappen ervan moeten zo worden aangepast dat het kwantummechanische ruis bij zowel hoge als lage frequenties vermindert. De ontwikkeling van dit frequentieafhankelijke knijpen is al aan de gang in de wereldwijde gemeenschap van zwaartekrachtgolfonderzoekers, waaronder GEO600. Twee groepen hebben in het voorjaar van 2020 de eerste succesvolle experimentele demonstraties laten zien.