Ο μικροσκοπικός ανιχνευτής βαρυτικών κυμάτων θα μπορούσε να αναζητήσει οπουδήποτε στον ουρανό

Η μικρότερη, πιο ακριβής μέτρηση που έγινε ποτέ απαιτούσε ένα από τα μεγαλύτερα επιστημονικά όργανα που κατασκευάστηκαν ποτέ. Πριν από πέντε χρόνια το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολόμετρου Λέιζερ (LIGO) ανίχνευσε έναν κυματισμό στο χωροχρόνο που ήταν μόλις ένα δέκατο χιλιοστό του πλάτους ενός πρωτονίου - μια τεχνική περιήγηση που ισοδυναμεί με τον εντοπισμό της απόστασης από το πλησιέστερο αστέρι στα τρία χιλιοστά ενός εκατοστού. Ο λιλιπούτειος κυματισμός ήταν ένα βαρυτικό κύμα, μια παραμόρφωση στον ιστό του σύμπαντος που δημιουργήθηκε από τη σύγκρουση δύο μαύρων οπών που απέχουν περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο έτη φωτός από τη Γη.

Σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, η επιτάχυνση οποιουδήποτε ογκώδους αντικειμένου δημιουργεί κύματα στο χωροχρόνο, όπως ένα πλοίο αναδεύει κύματα στο νερό. Ο ίδιος ο Αϊνστάιν, ωστόσο, πίστευε ότι τα βαρυτικά κύματα θα ήταν πολύ αδύναμα για να ανιχνευθούν. Δεν ήταν αδικαιολόγητα απαισιόδοξος. Χρειάστηκαν τα συμβολόμετρα μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων του LIGO - τα οποία ολοκληρώθηκαν το 1999 και άρχισαν να αναζητούν τα κύματα το 2001 - 13 χρόνια για να εντοπίσουν τελικά ένα. Η ανακάλυψη σηματοδότησε την αρχή ενός νέου τομέα της αστρονομίας και κέρδισε ένα βραβείο Νόμπελ για τρεις από τους φυσικούς του αστεροσκοπείου. Το πείραμα έχει από τότε ανιχνεύσει σχεδόν δώδεκα περισσότερα συμβάντα βαρυτικών κυμάτων. Τώρα, τη στιγμή που το LIGO χτυπά το βήμα του, μια ομάδα φυσικών έχει σκιαγραφήσει έναν τρόπο για να κατασκευάσει έναν φορητό βαρυτικό ανιχνευτή μήκους μόνο ενός μέτρου—4.000 φορές μικρότερο από το LIGO.

Η πρόταση, η οποία θα δημοσιευθεί σύντομα στο New Journal of Physics, περιγράφει έναν ανιχνευτή που θα εκμεταλλευόταν ένα περίεργο κβαντομηχανικό φαινόμενο για να αποκαλύψει τη διέλευση ενός βαρυτικού κύματος. «Το πρώτο και πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να γνωρίζουμε από την πειραματική πλευρά είναι ότι θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να κατασκευαστεί», λέει ο Gavin Morley, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Warwick στην Αγγλία και ένας από τους συν-συγγραφείς της μελέτης. Εάν η ομάδα πετύχει, ωστόσο, η νέα συσκευή θα προσφέρει έναν πολύ πιο συμπαγή τρόπο ανίχνευσης βαρυτικών κυμάτων που θα μπορούσαν να αναπαραχθούν σε πολλά εργαστήρια σε όλο τον κόσμο.

Ακύρωση κυμάτων

Οι φυσικοί ονομάζουν την προτεινόμενη συσκευή τους Mesoscopic Interference for Metric and Curvature (MIMAC). Παρά τις τεράστιες διαφορές τους μεγέθους, τόσο το MIMAC όσο και το LIGO αναζητούν το ίδιο αποτέλεσμα:τη ρυθμική διάταση και συστολή του χωροχρόνου που προκαλείται από ένα βαρυτικό κύμα που ταξιδεύει με την ταχύτητα του φωτός.

Στην περίπτωση του LIGO, δύο πανομοιότυπα όργανα - ένα στο Livingston, La., και το άλλο στο Hanford, Wash. - κατασκευάστηκαν για να αποκλείσουν ψευδή σήματα από τοπικά βαρυτικά φαινόμενα. Κάθε τοποθεσία έχει δύο θαλάμους κενού μήκους τεσσάρων χιλιομέτρων που συναντώνται σε γωνία 90 μοιρών, σχηματίζοντας ένα μεγάλο L στο τοπίο. Καθρέφτες σαράντα κιλών από πυρίτιο υψηλής καθαρότητας βρίσκονται και στις δύο άκρες κάθε θαλάμου κενού. Μια δέσμη λέιζερ κινείται συνεχώς μπρος-πίσω ανάμεσα στους καθρέφτες, παρακολουθούμενη από έναν ανιχνευτή φωτός στη γωνία του L.

Το LIGO σχεδιάστηκε έτσι ώστε υπό κανονικές συνθήκες, τα κύματα φωτός από κάθε βραχίονα να ακυρώνονται όταν συναντώνται στον ανιχνευτή:κανένα σήμα δεν φτάνει σε αυτόν επειδή οι κορυφές και οι κοιλότητες από το φως κάθε βραχίονα επικαλύπτονται. Αλλά αν ένα βαρυτικό κύμα διέρχεται από τους βραχίονες, τεντώνει περιοδικά τον έναν από αυτούς και συμπιέζει τον άλλο, αλλάζοντας το μήκος τους κατά ένα κλάσμα της διαμέτρου ενός πρωτονίου. Στη συνέχεια, τα κύματα φωτός δεν ακυρώνονται πλέον το ένα το άλλο:στέλνουν παλμούς φωτός στον ανιχνευτή σε συγχρονισμό με το διερχόμενο κύμα βαρύτητας, δημιουργώντας ένα χαρακτηριστικό μοτίβο τρεμοπαίζει.

Πώς θα μπορούσε λοιπόν μια συσκευή μήκους ενός μέτρου να επιτύχει το ίδιο κατόρθωμα; Ένα βασικό συστατικό του MIMAC θα ήταν ένα σωματίδιο διαμαντιού όχι μεγαλύτερο από το ένα εκατομμυριοστό του μέτρου. Οι ερευνητές θέλουν να βάλουν ένα τέτοιο διαμάντι σε μια κβαντική υπέρθεση - μια κατάσταση στην οποία το διαμάντι θα καταλάμβανε δύο διαφορετικές θέσεις ταυτόχρονα - και στη συνέχεια να περιμένουν να αλληλεπιδράσει με ένα βαρυτικό κύμα.

Ένα ελαττωματικό διαμάντι

Εκτός από τον Morley, η ομάδα περιλαμβάνει τους Sougato Bose, Peter Barker και Ryan Marshman, όλοι στο University College του Λονδίνου, μαζί με τους Anupam Mazumdar και Steven Hoekstra, και οι δύο στο Πανεπιστήμιο του Groningen στην Ολλανδία. Για να δημιουργήσουν την υπέρθεση, θα εκπέμψουν μικροκύματα σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο συνδεδεμένο σε ένα κατασκευασμένο ελάττωμα στο κρυσταλλικό πλέγμα ατόμων άνθρακα του διαμαντιού. (Το ελάττωμα αποτελείται από ένα μεμονωμένο άτομο αζώτου που έχει εισαχθεί στην κατά τα άλλα ομοιόμορφη διάταξη άνθρακα.) Τότε οι εξαιρετικοί κανόνες της κβαντικής θεωρίας θα ξεκινήσουν:το ηλεκτρόνιο θα απορροφούσε και δεν θα απορροφούσε αμέσως ένα φωτόνιο μικροκυμάτων, δημιουργώντας μια κβαντική υπέρθεση του διαμαντιού. Το ηλεκτρόνιο στο διαμαντένιο doppelgänger που απορρόφησε το φωτόνιο θα μετατοπιζόταν στη λεγόμενη κατάσταση "spin one", που σημαίνει ότι συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης με το δικό του μαγνητικό πεδίο. Το ηλεκτρόνιο στην άλλη εκδοχή του διαμαντιού θα παρέμενε σε κατάσταση «μηδενικής περιστροφής»—μαγνητικά ουδέτερο. Εφαρμόζοντας ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ο Bose και οι συνεργάτες του λένε ότι θα πρέπει να είναι δυνατό να τραβήξουμε το spin-one τμήμα της υπέρθεσης μακριά από το ουδέτερο αντίστοιχο, χωρίζοντάς το κατά ένα μέτρο. Τέλος, οι φυσικοί θα αντιστρέψουν το μαγνητικό πεδίο, φέρνοντας ξανά τις δύο θέσεις του διαμαντιού και θα το χτυπούσαν με έναν τελευταίο παλμό μικροκυμάτων.

Αυτός ο τελευταίος παλμός θα πυροδοτούσε ένα άλλο παράξενο κβαντικό αποτέλεσμα. Στο κβαντικό βασίλειο, τα σωματίδια δεν είναι πραγματικά σωματίδια από μόνα τους. Στην πραγματικότητα είναι κύματα και το σχήμα και το μέγεθός τους αντιστοιχεί στην πιθανότητα εύρεσης ενός «σωματιδίου» σε μια δεδομένη θέση. Η τελική έκρηξη των μικροκυμάτων θα ρυθμιστεί για να αλλάξει το σχήμα της υπέρθεσης έτσι ώστε οι κορυφές και οι κοιλότητες της κατάστασης spin-one να επικαλύπτονται και να ακυρώνονται, ενώ οι κορυφές της κατάστασης spin-μηδέν να επικαλύπτονται και να ενισχύονται μεταξύ τους. Έτσι, απουσία οποιασδήποτε εξωτερικής παρεμβολής, μια μέτρηση του ηλεκτρονίου θα το έβρισκε πάντα σε κατάσταση spin-μηδέν.

Όμως, κάθε βαρυτικό κύμα που κυματίζει πάνω από τον ανιχνευτή θα τέντωνε την υπέρθεση, αλλάζοντας το σχήμα της έτσι ώστε τα συστατικά του να μην ευθυγραμμίζονται πλέον όταν ενώνονται ξανά. Οι μετρήσεις της παραμορφωμένης υπέρθεσης θα έδιναν μικτά αποτελέσματα, με την κατάσταση spin-one να εμφανίζεται στα δεδομένα σε συγχρονισμό με τη συχνότητα του βαρυτικού κύματος.

Αυτό το σενάριο είναι τουλάχιστον η θεωρία. Η οικοδόμηση ενός μοντέλου εργασίας μπορεί να διαρκέσει δεκαετίες. Ο Ρον Φόλμαν, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev στο Ισραήλ, ο οποίος δεν συμμετείχε στην πρόταση, αποκαλεί την ιδέα «τολμηρή». Η απομόνωση του συστήματος έτσι ώστε τα κβαντικά σωματίδια να μην αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον θα είναι εξαιρετικά δύσκολη, λέει. «Είναι ένα πολύ σκληρό πείραμα», προσθέτει, αλλά «μπορεί να πραγματοποιηθεί κατά τη διάρκεια της ζωής μας, αν δοθεί αρκετή αφοσιωμένη προσπάθεια».

Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις θα είναι η δημιουργία υπερθέσεων διαμαντιών που μπορούν να παραμείνουν σταθερές σε αποστάσεις ενός μέτρου. Πριν από περισσότερα από τέσσερα χρόνια, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ κατάφεραν να διαχωρίσουν μια υπέρθεση που αποτελείται από 10.000 άτομα κατά περίπου μισό μέτρο - το τρέχον ρεκόρ. "Αλλά μιλάμε για να το κάνουμε με διαμάντια που θα έχουν ένα δισεκατομμύριο ή 10 δισεκατομμύρια άτομα, και αυτό είναι πολύ πιο δύσκολο", λέει ο Mazumdar.

Πολλές από τις άλλες τεχνολογίες που απαιτούνται για τη συσκευή—υψηλά κενά, εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, επακριβώς ελεγχόμενα μαγνητικά πεδία— έχουν επιτευχθεί όλες ξεχωριστά από διάφορες ομάδες. Αλλά το να τους φέρεις κοντά δεν θα είναι εύκολο. "Ακριβώς επειδή μπορείτε να κάνετε ταχυδακτυλουργίες και να κάνετε ποδήλατο δεν σημαίνει ότι μπορείτε να κάνετε και τα δύο ταυτόχρονα", λέει ο Morley.

Εάν η συσκευή κατασκευαστεί ποτέ, θα μπορούσε να μεταμορφώσει την αστρονομία των βαρυτικών κυμάτων. Οι σημερινοί ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων στον κόσμο είναι όλοι σταθερά αγκυρωμένοι στο έδαφος. "Ο μόνος προσανατολισμός που μπορεί να έχει το LIGO είναι λόγω της περιστροφής της Γης", λέει ο Bose. Ένας μικρός ανιχνευτής όπως το MIMAC, από την άλλη πλευρά, θα μπορούσε να είναι στραμμένος προς οποιαδήποτε κατεύθυνση στον ουρανό. Και οποιοδήποτε εργαστήριο φυσικής στον κόσμο θα μπορούσε να το στεγάσει. «Η πρόκληση είναι να δουλέψει ένας από αυτούς», λέει ο Bose. "Εάν ένα από αυτά λειτουργεί, θα ήταν πολύ εύκολο να φτιάξετε πολλά περισσότερα."