MIT araştırmacıları, yer çekiminin kuantum doğasını test etmek için torsiyonlu salınıcıları lazerle 10 milikelvine kadar soğutmayı başardı.
“Kütle çekim kuantum mu?” modern fiziğin en büyük ve cevap bekleyen sorularından biri. Elektromanyetik, zayıf ve güçlü kuvvetler gibi diğer temel kuvvetler başarıyla kuantum mekaniğiyle açıklanırken, kütle çekiminin kuantum doğası halen deneysel olarak kanıtlanamadı. Bu nedenle, fizikçiler kütle çekiminin gerçekten kuantum mu yoksa klasik mi olduğunu anlamak için yeni yöntemler geliştirmeye çalışıyor.
MIT Makine Mühendisliği Bölümü doktora öğrencisi Dongchel Shin, bu zorlu soruyu deneysel olarak yanıtlayabilmek için önemli bir adım attı. Shin ve ekibi, klasik yer çekimi deneylerinde uzun yıllardır kullanılan torsiyonlu salınıcılar üzerinde lazerle aktif soğutma gerçekleştirdi. Ekip, yaklaşık bir santimetre uzunluğundaki torsiyonlu salınıcıyı oda sıcaklığından milikelvin seviyelerine indirerek, mekanik hareketini neredeyse tamamen durdurmayı başardı.
Torsiyonlu salınıcılar, Henry Cavendish’in 1798’de yer çekim sabitini ölçmek için kullandığı klasik araçlar. Bu araçlar Newton’un yer çekim yasasının doğrulanması ve ters kare kanunun test edilmesinde kritik bir rol oynadı. Ancak bu mekanik sistemlerin kuantum seviyesinde kontrolü ve ölçümü, modern fiziğin en büyük deneysel zorluklarından biri. Newton’un 300 yıl önce ortaya koyduğu yer çekimi yasaları, Dünya üzerindeki cisimlerin düşmesinden gezegenlerin yörüngedeki hareketine kadar pek çok olayı açıklamayı başarmıştı. Yer çekimi, aslında “kütle çekimi” olarak da adlandırılıyor ve bu iki terim aynı fiziksel olguyu ifade ediyor: Kütleli cisimlerin birbirini çekme kuvveti. Gündelik dilde yer çekimi daha çok Dünya’nın nesneleri kendine doğru çekmesi anlamında kullanılırken, kütle çekimi terimi bu çekim kuvvetinin evrensel doğasını vurguluyor. Newton’un teorisi, kütleli her şeyin – ister elma olsun ister Ay – karşılıklı bir çekim uyguladığını ortaya koymuştu.
Shin, “Kütle çekimin kuantum olup olmadığını deneysel olarak test etmek için, kütlesi yeterince büyük ve kütle çekimsel etkileri hissedebilen ancak aynı zamanda kuantum seviyesinde ölçülebilen mekanik sistemlere ihtiyacımız var,” diyor. “Biz de bunun için torsiyonlu salınıcıyı lazer ışığıyla soğutarak termal hareketini neredeyse durdurdum.”
Lazerle soğutma yöntemi, atomları mikrokelvin ve hatta nanokelvin sıcaklıklara indirerek kuantum davranışlarını ortaya çıkarmak için uzun süredir kullanılıyor. Ancak bu teknoloji ilk defa torsiyonlu salınıcılarda uygulanıyor. Ekip, lazer ışığının optik basınç kuvvetini kullanarak torsiyon salınıcının hareketini kontrol etti ve sıcaklığını yaklaşık 10 milikelvin seviyesine düşürdü.
Bunun başarılmasında kritik rol oynayan ise özel bir “yansıtıcı optik kol” sistemi oldu. Bu sistem, lazer ışığındaki istenmeyen titreşim ve gürültüleri pasif olarak bastırarak, torsiyon hareketinin çok hassas ölçümünü sağladı. Böylece, torsiyonlu salınıcının kuantum sıfır noktasındaki hareketinden 9,8 dB daha hassas bir ölçüm imkanı doğdu.
Elde edilen bu yüksek hassasiyet, lazer ışığıyla soğutmanın etkinliğini artırdı. Ekip, bu sayede torsiyon salınıcının ortalama titreşim sayısını 6 bin fonon seviyesine kadar düşürmeyi başardı. Ancak Shin, “Hedefimiz kuantumun en temel hali olan yer çekimi hareketinin kuantum taban durumuna ulaşmak,” diyerek, gelecekte daha güçlü optik yöntemlerle bu seviyeye ulaşmayı planladıklarını belirtti.
Önümüzdeki aşamalarda, optik kafesler ve optik boşluklar kullanılarak torsiyon salınıcıların daha fazla kuantum kontrolü sağlanabilir. Böylece iki farklı torsiyon salınıcının sadece yer çekimi yoluyla etkileşime girdiği deneyler yapılabilecek. Bu deneyler, yer çekimin gerçekten kuantum mekaniğiyle açıklanıp açıklanamayacağını doğrudan test etme imkanı sunacak.
MIT Makine Mühendisliği’nde asistan profesör Vivishek Sudhir ve doktora öğrencisi Dylan Fife’nin de katkılarıyla yürütülen çalışmada, Utah Üniversitesi Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümü’nden Tina Heyward ve Rajesh Menon da yer aldı. Shin, “Bu tür bir deneysel çalışma, yalnızca teorik fizik bilgisi değil; optik, elektronik, nanofabrikasyon ve sistem tasarımı alanlarında da derin uzmanlık gerektiriyor,” diyerek disiplinler arası bir yaklaşımın önemine dikkat çekti.
Bu çalışma, klasik ve kuantum dünyaları arasında köprü kurma yolunda atılan önemli bir adım olarak görülüyor. Lazer soğutma yöntemiyle torsiyonlu salınıcıları kuantum rejimine yaklaştırmak, yer çekiminin doğasını anlamak için yeni ufuklar açıyor.
Kaynak: MIT
