Naukowe mieszanie w głowach
Ekstremalnie dokładne pomiary odległości to kluczowy element wszystkich technik wykrywania fal grawitacyjnych. Drgania czasoprzestrzeni są tak subtelne (1), że umykają nawet najlepszym współczesnym detektorom, interferometrom laserowym. Aby zwiększyć ich precyzję, fizycy zaczęli wykorzystywać efekty kwantowe związane z przemieszczaniem się fotonów.
W pracy opublikowanej w jednym z wydań czasopisma "Physical Review A" polscy naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (FUW) i niemieccy z Uniwersytetu w Hanowerze wykazali, że w zupełności wystarczą do tego eksperymentalnie dostępne tzw. stany ściśnięte.
Ściśnięty może więcej
Typowy detektor fal grawitacyjnych jest interferometrem z dwoma prostopadłymi ramionami. Wiązki światła laserowego, każda po przebiegnięciu swojego ramienia, nakładają się, tworząc charakterystyczny układ prążków interferencyjnych. Gdyby przechodząca przez przyrząd fala grawitacyjna zmieniła długość jednego z ramion nieco inaczej niż drugiego, grzbiety i doliny fal świetlnych z obu ramion przesunęłyby się względem siebie i zmieniły układ prążków.
Amerykański detektor fal grawitacyjnych LIGO (2), najczulszy z dotychczas zbudowanych, to układ interferometrów z ramionami długości od 2 do 4 km. Mimo tak dużych rozmiarów ramion nawet najsilniejsze fale grawitacyjne mogą zmienić ich długość co najwyżej o 0,000000000000000001 metra. LIGO nieomal odbiera fale grawitacyjne.
Fizycy nie są jednak w stanie ich zauważyć, bo sygnały zwiastujące przejścia fal grawitacyjnych nadal giną w szumie tła. Dalszy wzrost dokładności pomiarów można uzyskać dzięki wykorzystaniu kwantowych własności fotonów w wiązkach laserowych.
W celu zwiększenia czułości pomiarów, w 2011 r. w europejskim interferometrze GEO 600 pod Hanowerem użyto światła laserowego znajdującego się w specjalnie przygotowanym stanie kwantowym, tzw. ściśniętej próżni. W fizycznej próżni mogą istnieć pola elektryczne i magnetyczne, lecz ich średnie wartości wynoszą zero. W optyce kwantowej nie jest możliwy jednoczesny precyzyjny pomiar wartości pola elektrycznego i magnetycznego fali świetlnej.
Wartości te podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga - im lepiej znamy jedną, tym gorzej drugą. Stan ściśniętej próżni nadal ma zerowe średnie wartości pól elektrycznych i magnetycznych, jednak jest tak skonstruowany, że można dokonywać precyzyjnych pomiarów wartości jednego z pól kosztem wiedzy o drugim. Wykorzystanie kwantowo skorelowanych fotonów pozwoliło zwiększyć czułość interferometru GEO 600 o ok. 30 procent.
Dalsze podniesienie czułości detektorów fal grawitacyjnych będzie możliwe przede wszystkim dzięki zmianom w geometrii przebiegu wiązek światła przez interferometry, zmniejszaniu strat, bądź poprzez znaczne zwiększanie długości ich ramion. Z tego ostatniego wynika, że naturalnym kierunkiem rozwoju staje się budowa odpowiednich przyrządów w kosmosie.
Sięgnąć, gdzie optyka nie sięga
Limit dyfrakcyjny światła nie pozwala ujrzeć za pomocą mikroskopu optycznego obiektów o rozmiarach mniejszych niż połowa długości fali światła, z powodu efektów ugięcia i rozpraszania światła na krawędziach soczewki. Dla światła widzialnego to ok. 200 nanometrów (nm).
W XX wieku limit ów stanął na drodze dalszego rozwoju mikroskopii optycznej. Wiele struktur wewnątrzkomórkowych mieści się w granicach od 10 do 200 nm, co powoduje, że w mikroskopie świetlnym mają one postać jedynie rozmytych plam lub są zupełnie niewidoczne. Jednak Stefan Hell, obecnie fizyk z Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie w Getyndze, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie chemii z 2014 r., pokonał barierę w mikroskopii świetlnej. Jeszcze w 1993 r., pracując na wydziale fizyki medycznej uczelni w Turku, w Finlandii, zaproponował budowę mikroskopu STED (stimulated emission depletion).
Zasada działania mikroskopii konfokalnej (czyli oferującej powiększony kontrast i rozdzielczość) w porównaniu z klasyczną świetlną opiera się na usunięciu, przy wejściu do detektora, światła, które wpadło do obiektywu spoza płaszczyzny ogniskowania. Usuwa się także wszelkie odbłyski niepochodzące bezpośrednio z miejsca ogniskowania. Używa się w tym celu dodatkowej przesłony z otworem, umieszczonej przed wejściem do detektora.
Stefan Hell w mikroskopie STED wykorzystał dodatkową, pierścieniowatą wiązkę wygaszającą fluorescencję na brzegu wzbudzonego punktu, co znacznie poprawiło rozdzielczość. Później skonstruowano mikroskop konfokalny, łączący w sobie znaną w mikroskopii technikę 4Pi ze STED, pozwalający uzyskiwać niewiarygodną wręcz rozdzielczość przestrzenną obrazu (3).
To jest bardzo prosty pomysł na uzyskanie superrozdzielczości. Pomysł, który po kilku latach został zrealizowany eksperymentalnie. W próbkach biologicznych udało się zejść z rozdzielczością z 200 do nawet 20 nm, czyli widzimy 10 razy lepiej. Na razie rekordem rozdzielczości dla próbek biologicznych jest owe 20 nm. Nie jest to jednak limit bezwzględny, czyli technika ta może pójść jeszcze dalej. Prace nad lepszą rozdzielczością trwają. Chodzi o osiągnięcie rozdzielczości atomowej na poziomie angstrema, czyli dziesiątej części nanometra. W przypadku próbek z ciałem stałym, np. centrów barwnych w diamencie, rozdzielczość, którą można uzyskać, to 2 nm.
Mniej niż zero absolutne
Od czasów Lorda Kelvina wysoką temperaturę ciał tłumaczymy dużą energią kinetyczną składających się na nie atomów i cząsteczek. Niska temperatura wynika z kolei z niewielkiej energii składników materii. Temperaturę absolutnego zera opisuje stan bezruchu atomów. Jednak jej osiągnięcie wydaje się niemożliwe, gdyż potrzeba by do tego czegoś o temperaturze poniżej zera absolutnego, co nie jest możliwe. I tu od niedawna zaczynają się wątpliwości…
Okazało, że temperatura zależy nie tylko od ruchów cząsteczek, ale również od sposobu rozchodzenia się energii, wzrostu nieuporządkowania, inaczej entropii. Wzrost entropii zakłada przepływ ciepła oraz zmianę temperatury. Redukcja entropii przy wzroście energii, to wbrew temu, co mogłoby się niektórym wydawać - spadek temperatury. W efekcie istnieje "lustrzany świat" temperatur niższych niż zero absolutne, rozciągający się do ujemnej nieskończoności.
Oczywiście, nasza intuicja podpowiada nam, że poziom nieuporządkowania rośnie wraz z ruchem, a to z kolei oznacza wzrost temperatury itd.
Sytuacja jednoczesnego wzrostu energii i spadku entropii brzmi o wiele bardziej egzotycznie. Co nie znaczy, że fizycy nie potrafią takiego stanu otrzymać w swoich laboratoriach. Nie tak dawno zespół z niemieckiego Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium, pod kierownictwem Ulricha Schneidera, za pomocą laserów schłodził atomy do temperatury minimalnie wyższej od zera absolutnego. Uzyskali ultra-zimny gaz złożony z atomów potasu.
Za pomocą laserów i pól magnetycznych utrzymano atomy w pożądanym położeniu. W temperaturach powyżej 0°K (Kelwina) atomy odpychały się, tworząc stabilną strukturę. Po szybkiej zmianie parametrów pól magnetycznych atomy zaczęły się przyciągać. To błyskawicznie doprowadziło do zmiany stanu atomów z najbardziej stabilnego, o możliwie najniższej energii, do stanu o najwyższej możliwej energii.
W temperaturach dodatnich taka zmiana doprowadziłaby do zaburzenia całej struktury zbudowanej z atomów. Jednak uczeni wraz ze zmianą pola magnetycznego zmienili właściwości utrzymujących atomy w pułapce laserów w ten sposób, że dla atomów pozostanie na swoich pozycjach było korzystne energetycznie. Dzięki temu zaobserwowano skok temperatury z ułamków powyżej zera bezwzględnego do kilku miliardowych Kelvina poniżej. Tym samym bariera nieprzekraczalnego do tej pory -273,15°C (0°K) padła (4).
We wspomnianym na początku eksperymencie mamy do czynienia z układem nadzwyczajnie zimnych atomów (ułamki stopnia powyżej zera bezwzględnego), które są trzymane w tzw. sieci optycznej, swoistej klatce na atomy wytworzonej przez wiązki laserowe. Atomy w sieci optycznej pozwalają nam regulować nie tylko swoją energię, ale również oddziaływania pomiędzy nimi. W takim izolowanym układzie przejawia się kwantowa natura materii, energii nie możemy już utożsamiać z szalonymi, goniącymi się z dowolnymi prędkościami atomami. Tym razem każdy atom ma do dyspozycji tylko określone pozycje na drabinie energii, w których może siedzieć - fachowo zwane stanami energetycznymi.
Temperaturę tak nietypowego układu określa związek między energią i entropią. Zbiór atomów można tak przygotować, aby istniały najwyższe dopuszczalne pozycje na drabinie energii, tzn. w miarę dostarczania energii, "zniewolone" atomy nie mogą skakać wyżej i zaczynają się układać w tych najwyższych dopuszczalnych stanach energetycznych.
Mamy tym samym coraz większy porządek, czyli entropia maleje. Znów stosując naszą ogólną definicję temperatury, mamy zmniejszanie się entropii przy zwiększaniu energii - w praktyce temperatura spada - układ atomów od temperatury ułamków stopnia powyżej zera przechodzi na drugą stronę skali. Proces zmiany temperatury nie jest ciągły, co oznacza, że po drodze nie osiągamy temperatury zerowej.
Skala temperatury od najniższej do najwyższej uszeregowana jest niezgodnie z algebraicznym porządkiem. Zaczyna się w zerze, przechodzi przez zakres dodatni do nieskończoności, a dalej, zataczając koło, wraca od minus nieskończoności do zera. Achim Rosch, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Kolonii, który opracował metodę wykorzystaną przez Schneidera, wyjaśniał eksperyment, tłumacząc, że w temperaturach poniżej zera absolutnego systemy stabilne mogą zachowywać się w nieoczekiwany sposób. Jego zdaniem atomy gazu, które w normalnych warunkach są ściągane w dół siłą grawitacji, mogą w ujemnych temperaturach nie reagować na grawitację i poruszać się zawsze w górę.
Niewykluczone również, że w ujemnej skali Kelvina można będzie badać ciemną energię, która zdaniem fizyków odpowiada za to, że Wszechświat rozszerza się, nawet pomimo silnych, działających wewnątrz sił grawitacji.
Warto też jasno podkreślić, że dobrze ugruntowana w naszej świadomości definicja skali temperatury za pomocą energii kinetycznej cząsteczek stosuje się tylko do gazów doskonałych. Taka definicja jest jednak związana z naszym codziennym odczuwaniem ciepła i zimna, dlatego jest nam tak bliska. W myśl tej uproszczonej definicji nie możemy mówić o zerze bezwzględnym, ponieważ zanim ruch cząsteczek gazu ustanie, zmieni on stan skupienia. Zero skali wyznacza się jednak, hipotetycznie rozciągając zależność między ciśnieniem, objętością i temperaturą.
Einstein miał rację, ale...
Jak widać, w świecie fizyki nie ma świętości. Nawet uznawana za pewnik wynikający z teorii Einsteina reguła, zgodnie z którą nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła, z punktu widzenia fizyków nie jest wcale tak niepodważalna, jak się wydaje. "Teoretycznie, ze szczególnej teorii względności wcale nie wynika, że nic nie może podróżować szybciej niż światło", mówił w listopadowym numerze magazynu "NewScientist" Abhay Ashtekar, fizyk z amerykańskiego uniwersytetu Penn State.
Wydaje się, że niektóre zjawiska mogą naruszać tę "świętą" zasadę. Na przykład fale uderzeniowe powstające w wodzie wskutek promieniowania kosmicznego tworzą optyczne odpowiedniki fal uderzeniowych przy przekraczaniu przez samoloty bariery dźwięku. Wynika z tego, że powstające fale muszą podróżować szybciej niż światło. Z drugiej strony jednak wyprzedzają światło w wodzie a nie w próżni, o której mówi teoria Einsteina.
W prymat prędkości światła zdają się godzić również zjawiska obserwowane na obrzeżach Wszechświata, gdzie galaktyki oddalają się szybciej niż wynosi fizyczna "prędkość maksymalna". Także zjawiska splątania kwantowego wydają się omijać barierę świetlną. Jednak oba te zjawiska nie naruszają teorii, gdyż rozszerzanie się Wszechświata to powiększanie się układu odniesienia dla prędkości a nie prędkość, zaś przy wymianie informacji pomiędzy splątanymi cząstkami i tak ogranicza nas limit świetlny.
Jak widać, współcześni naukowcy bardzo lubią mieszać w głowie ludziom, którzy do dyspozycji mają tylko wiedzę, pozyskaną w szkołach. Niby nie podważają teorii, ale sieją ziarno zwątpienia w to, że dysponujemy pewnym i sprawdzonym opisem świata. Być może jednak tak trzeba. I z tego mieszania zrodzą się nowe ciekawe hipotezy, teorie - a w końcu odkrycia.
Mirosław Usidus
