Kiryl Pro Motion/Getty Images

Op de kleinste schaal tart de fysieke werkelijkheid de alledaagse intuïtie. De kwantummechanica is ons meest betrouwbare raamwerk om uit te leggen hoe atomen en subatomaire deeltjes zich gedragen. In combinatie met de veldtheorie schetst het een beeld waarin uitgestrekte, altijd aanwezige velden – net als elektrische en magnetische velden – aanleiding geven tot de deeltjes waaruit materie bestaat. In deze afbeelding beschrijft het standaardmodel twaalf materievelden en vier krachtvelden, waarbij de laatste elektromagnetische, zwakke, sterke en zwaartekrachtinteracties vertegenwoordigen. Hoewel de eerste drie krachten in het model zijn geïntegreerd, blijft de zwaartekracht een uitschieter.

De doorbraak van Einstein kwam met de algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht niet als een kracht identificeerde, maar als de kromming van de ruimte-tijd zelf. Het verzoenen van deze geometrische visie met de probabilistische aard van de kwantumtheorie is al lang een uitdaging. Voorlopig is een volledige kwantumtheorie van de zwaartekracht nog steeds ongrijpbaar, maar de experimentele vooruitgang versnelt.

Het combineren van twee geavanceerde technieken om minuscule bewegingen te meten

rangizzz/Shutterstock

De algemene relativiteitstheorie valt uiteen in de buurt van extreme massaconcentraties, zoals zwarte gaten, wat erop wijst dat er een diepere theorie nodig is – een theorie die de kwantummechanica verenigt met de zwaartekracht. MIT-onderzoekers zijn baanbrekend met experimentele tests die de kwantumaspecten van de zwaartekracht kunnen onderzoeken, en lasers spelen een centrale rol in hun aanpak.

Het eerste artikel van het team, ‘Actieve laserkoeling van een torsie-oscillator op centimeterschaal’, werd gepubliceerd in Optica. Het rapporteert de succesvolle laserkoeling van een torsie-oscillator van een centimeter lang – een apparaat dat traditioneel wordt gebruikt bij nauwkeurige zwaartekrachtmetingen – van kamertemperatuur naar 10 mK (een duizendste Kelvin). Deze koeling maakt de oscillator kwantumvriendelijk terwijl de macroscopische afmetingen behouden blijven, waardoor het een ideaal testbed is voor het bestuderen van de interactie van de zwaartekracht met kwantumsystemen.

Wat dit werk onderscheidt, is de samensmelting van twee verschillende, op laser gebaseerde methoden. Laserkoeling van atomaire gassen bestaat al lang, maar het toepassen van hetzelfde principe op een mechanische oscillator van deze omvang is ongekend. Deze doorbraak opent de deur naar experimenten die de kwantumsignatuur van de zwaartekracht direct kunnen waarnemen.

Gespiegelde optische hendels:verscherping van de gevoeligheid voor kleine kantelbewegingen

Sakkmesterke/Getty Images

In het experiment gebruikten de onderzoekers een gespiegelde optische hendel. Conventionele optische hefboomtechnieken verlichten een spiegel met een laser en detecteren minieme hoekveranderingen via de gereflecteerde straal. Omgevingsstoringen (luchtstromingen, mechanische trillingen of optische onvolkomenheden) doen zich echter vaak voor als valse beweging.

Door gebruik te maken van een gespiegeld optisch niveau – in wezen een tegengesteld voortplantende straal die het origineel weerspiegelt – wordt de ruis van deze verstoringen effectief geëlimineerd. Wanneer de twee bundels bij de detector samenkomen, wordt de jitter van externe factoren onderdrukt, waardoor een schoon signaal van de oscillator zelf achterblijft. Deze configuratie met dubbele bundel verminderde het geluid met een factor duizend, waardoor beweging met ongekende precisie kon worden gedetecteerd.

In dit stadium kan het team oscillaties meten met een gevoeligheid die tien keer fijner is dan de kwantumnulpuntfluctuaties van het apparaat. Hoewel dit een opmerkelijke prestatie is, is verdere verfijning nodig om de kwantumaard van de zwaartekracht rechtstreeks te testen. De volgende stap omvat het verbeteren van de optische interactie, zodat twee torsie-oscillatoren uitsluitend kunnen interageren via hun wederzijdse zwaartekrachtaantrekking – een opstelling die eindelijk zou kunnen uitwijzen of de zwaartekracht zich kwantummechanisch gedraagt.

Naarmate het onderzoek vordert, staan MIT-wetenschappers klaar om de grenzen van precisiemetingen te verleggen en mogelijk het eerste experimentele bewijs te leveren dat zwaartekracht inderdaad een kwantumkracht is.