Квантовый шум гравитационных антенн воспроизвели при комнатной температуре
Физики представили первую систему, в которой возможно непосредственное измерение порождаемого давлением излучения квантового шума — одного из основных факторов, ограничивающих точность гравитационно-волновых приемников следующего поколения. В результате у ученых появилась удобная испытательная модель для изучения методов преодоления данного ограничения, таких как использование сжатых состояний света. Описание разработки опубликовано в журнале Nature.
Современные детекторы гравитационных волн используют электромагнитное излучение для непрерывного слежения за положением тестовых масс. Они представляют собой оптические интерферометры, по плечам которых распространяются лазерные лучи, отражающиеся от зеркал. После многократного прохождения плеча импульсы излучения из разных плеч сводятся вместе и интерферируют. Если через такой приемник проходит гравитационная волна, то она слегка изменяет оптические длины путей между тестовыми массами (зеркалами), из-за чего лазерные импульсы приходят с задержкой и интерференционная картина изменяется.
Квантовая механика накладывает фундаментальный предел на точность таких непрерывных измерений. Он является следствием принципа неопределенности Гейзенберга: если увеличивать точность определения одной наблюдаемой величины (например, координаты), то будут увеличиваться ошибки в измерении сопряженной величины (импульса). Это явление получило название квантового обратного действия (quantum back action). В контексте гравитационно-волновых антенн это значит, что увеличение мощности лазерного излучения снижает вклад дробового шума — связанного с квантовой природой света шума счета фотонов, — но при этом неминуемо возрастает связанный с давлением излучения квантовый шум (quantum radiation pressure noise — QRPN).
Чувствительность гравитационно-волновых антенн первого поколения, таких как LIGO и Virgo, ограничивалась другими факторами, но для следующего поколения установок данного типа, к которым относятся Advanced LIGO, Advanced Virgo и KAGRA, предсказывается ведущая роль QRPN в качестве компонента шумов в диапазоне от 10 до 100 герц. Существует несколько концепций противодействия QRPN в случае гравитационных антенн, но до недавнего момента не существовало возможности проверить их экспериментально. Изучение этого явления осложняется тем, что обычно классические шумы, такие как вибрации и связанные с температурой флуктуации, доминируют, а вклад квантовых шумов незначителен.
В работе под руководством Томаса Корбитта (Thomas Corbitt) из Университета штата Луизиана описана система, в которой возможно непосредственное измерение QRPN в килогерцовом диапазоне при комнатной температуре. Разработка представляет собой хорошо отражающий монокристаллический микрорезонатор с низкими потерями и сильно подавленными тепловыми шумами, включенный в оптомеханическую систему в качестве одного из зеркал в интерферометре Фабри — Перо. Микрорезонатор состоит из соединенной с монокристаллом арсенида галлия оправы и зеркала из 23 пар четвертьволновых пластинок, пропускающих 250 миллионных долей падающего света. Механическая добротность микрорезонатора массой 50 нанограмм при комнатной температуре составила 16000, а оптическая добротность интерферометра — 13000.
Если включить установку, то излучение Nd:YAG-лазера будет использоваться как для измерения движения микрорезонатора, так и для его стабилизации от флуктуаций посредством системы с обратной связью. Дополнительный контур обратной связи отвечает за несовпадение резонансных частот интерферометра и лазерного излучения. После компенсации возмущений, отраженный от микрорезонатора свет используется для анализа его смещений. Измеряемой величиной является шумовой спектр фотодетектора PDM. Он состоит из нескольких компонент, из которых авторы работы рассматривают классические флуктуации интенсивности и частоты лазера, тепловой шум, дробовой шум, шум темнового тока фотодиода и QRPN. Основной вклад вносит тепловой шум, но работа устройства на малой мощности позволяет построить его модель в условиях пренебрежимо малого влияния следующего по важности компонента — QRPN.
Для непосредственного определения квантового обратного действия физики измеряли смещения микрорезонатора при пяти значениях мощности лазерного излучения: 10, 73, 110, 150 и 220 милливаттах. Оказалось, что QRPN примерно равен по мощности тепловому шуму на частотах от 100 до 10 кГц, затем тепловой становится доминирующим, но QRPN все еще можно измерить вплоть до 2 кГц, где его вклад составляет примерно 20%. Также физики проверили зависимость QRPN от мощности излучения, которая соответствовала предсказываемой теорией квадратичной.
Поиск гравитационных волн является примером измерений очень малых величин, поэтому для уверенной регистрации необходим учет множества факторов, а исказить данные могут самые неожиданные причины. Например, слушать гравитационные волны может помешать атмосфера и даже птицы. Тем не менее, физики значительно продвигаются в плане учета разных шумов. О революционности открытия гравитационных волн мы писали в материале «За волной волна».
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.