केवळ पाहत राहिल्याने स्थिर ठेवलेला एक मिलिग्रॅमचा रोटर

गेल्या वीस वर्षांत, भौतिकशास्त्रज्ञ यांत्रिक वस्तूंना त्यांच्या पुंज (quantum) मर्यादांजवळ नियंत्रित करायला शिकले आहेत — फेम्टोग्रॅम वजनाच्या नॅनो-आकाराच्या अनुनादकांपासून (resonators) गुरुत्वीय-लहर शोधकांच्या अनेक किलोग्रॅमच्या आरशांपर्यंत. पण यांपैकी जवळजवळ सर्व दोलक (oscillators) आहेत: स्प्रिंगसारखे काहीतरी त्यांना केंद्राकडे परत खेचते. पुंजयामिकीतील सर्वांत साधी प्रणाली, मुक्त कण, ज्याला मागे खेचणारे काहीच नसते, अशा नियंत्रणाला दाद देत नव्हती. मुक्त गती जिथे घडते त्या कमी वारंवारतांवर, आजूबाजूचे घर्षण आणि गोंगाट सारे काही बुडवून टाकतात.

तरीही अनेक मोठ्या प्रश्नांना नेमकी मुक्त वस्तुमानेच हवी आहेत: गुरुत्व पुंज स्वरूपाचे आहे का हे तपासणे, पुंजयामिकीतील प्रस्तावित बदल पडताळणे, नव्या अल्प-पल्ल्याच्या बलांचा शोध घेणे.

काचेच्या धाग्यावरचा आरसा

Institute of Science and Technology Austria मधील Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten आणि सहकाऱ्यांनी चाचणी-वस्तू तयार केली: फ्यूज्ड-सिलिकाची 1 मिलिग्रॅम वजनाची आरसा-पट्टी, 2 मिलिमीटर लांब, 15 सेंटिमीटर लांब आणि 1 मायक्रोमीटर जाड अशा फ्यूज्ड-सिलिका तंतूला लटकलेली, 10⁻¹⁰ मिलिबारपेक्षा कमी दाबाच्या निर्वातात. काटेकोरपणे पाहता, हा एक पिळवणी लंबक (torsion pendulum) आहे, जो दर 15 सेकंदांनी एकदा पुढे-मागे झुलतो. पण येथे महत्त्वाच्या असलेल्या कालमानांवर, काही दहा मिलिसेकंदांवर, त्याला ते खेचणे जवळजवळ जाणवत नाही: तो एखाद्या मुक्त वस्तूसारखा वागतो.

त्याचे विलगीकरण टोकाचे आहे. त्याला धक्के देणारे यादृच्छिक पीळ-बल (torques) पथकाने मोजले आणि केवळ 7 नॅनोहर्ट्झ इतक्या अवमंदन दरामुळे (damping rate) निर्माण होईल त्यापलीकडे कोणताही गोंगाट त्यांना आढळला नाही. त्वरणमापक (accelerometer) म्हणून वापरल्यास, पट्टीचे टोक या वस्तुमानावरील आधीच्या सर्वोत्तम प्रयोगांपेक्षा जवळजवळ शंभर पट अधिक संवेदनशील ठरेल.

त्यावर लक्ष ठेवण्यासाठी, एक “दुहेरी प्रकाशीय तरफ” (double optical lever) दोन लेसर किरण आरशावरून विरुद्ध दिशांनी परावर्तित करते, ज्यामुळे लेसरची स्वतःची थरथर रद्द होते आणि फक्त पट्टीचे फिरणे उरते. तिसरा किरण प्रकाशाच्या दाबाने पट्टीला ढकलू शकतो. संपूर्ण रचना भूकंपीय-विलगीकरण मंचावर उभी आहे, आणि स्वतःचा लटकता आरसा असलेला एक छोटा व्यतिकरणमापक (interferometer) त्या मंचाच्या कोणत्याही उरलेल्या हालचालीचा माग घेतो.

सापळ्याऐवजी मापन

मुख्य कल्पना अशी की सतत मापन सापळ्याची जागा घेऊ शकते. मोकळी सोडल्यास, मुक्त वस्तूचे स्थान आणि वेग अधिकाधिक अनिश्चिततेने पसरत जातात. न थांबता मोजल्यास, तिचा मार्ग जसजसा पुढे जातो तसतसा उघड होतो, आणि तिच्या अवस्थेविषयीचे आपले ज्ञान एका स्थिर, मर्यादित धूसरतेत स्थिरावते. येथे ती धूसरता सुमारे 26 मिलिसेकंदांत स्थिरावते.

ही उरलेली अनिश्चितता तापमानात रूपांतरित करता येते, तापमानाचा एन्ट्रॉपीतील बदलांशी संबंध जोडणाऱ्या पाठ्यपुस्तकी व्याख्येद्वारे. हे “एन्ट्रॉपिक तापमान” (entropic temperature) रोटरची गती किती नेमकेपणाने ज्ञात आहे ते सांगते, आणि मुक्त वस्तूंची दोलकांशी तुलना करू देते.

पथकाने पट्टीला प्रकाशाने पकडले, सोडले, आणि 1.25 सेकंदांच्या 100 टप्प्यांत तिचा कोन नोंदवला. तिची अवस्था पुनर्रचित करण्याच्या दोन पद्धतींची तुलना केली गेली: केवळ भूतकाळातील मापने वापरणारा “कारणात्मक” (causal) अंदाज, आणि नंतर केलेली मापनेही वापरणारा “मसृणित” (smoothed) अंदाज. दोन्हींतील फरकातून, अवस्था खरोखर किती नेमकेपणाने ज्ञात आहे हे तपासण्याचा एक नवा मार्ग मिळाला.

140 नॅनोकेल्विन

• केवळ भूतकाळातील माहितीवरून, रोटरची अवस्था 1.2 मायक्रोकेल्विनशी संगत आहे.
• मसृणीकरणासह, ती 140 नॅनोकेल्विनपर्यंत घसरते — निरपेक्ष शून्याच्या 140 अब्जांश अंश वर.

हे यांत्रिक वस्तूंवरील आधीच्या टेबलावरील प्रयोगांपेक्षा सुमारे दोन परिमाण-श्रेणींनी (orders of magnitude) अधिक थंड आहे. लेखक नमूद करतात की यामुळे अशा प्रणाली अतिशीत (ultracold) क्षेत्रात येतात, जे आतापर्यंत मुख्यतः बाष्पीभवनाने थंड केलेल्या अणूंच्या ढगांशी निगडित होते. पारंपरिक प्रतिसाद-शीतकरण (feedback cooling) येथपर्यंत पोहोचू शकले नसते.

याला एक तळमर्यादा आहे. इतक्या विलगीकरणासाठी, प्रारूप भाकीत करते की तापमान सुमारे 15 नॅनोकेल्विनच्या खाली जाऊ शकत नाही: Heisenberg च्या अनिश्चितता तत्त्वानुसार, स्थान अधिकाधिक बारकाईने मोजल्यास फिरण्याचा वेग अधिकाधिक धूसर होतो.

शांत मुक्त वस्तुमानाचा उपयोग काय

दोन उपयोग लगेच दिसतात. काही सिद्धांत पुंजयामिकीत असा बदल करतात की पुंज धूसरता उत्स्फूर्तपणे कोसळते, ज्यामुळे प्रत्येक वस्तूत एक क्षीण, यादृच्छिक थरथर येईल. रोटरची मोजलेली स्थिरता कमी वारंवारतांवर अशा प्रारूपांची एक नवी कक्षा फेटाळते, LISA Pathfinder या अंतराळ मोहिमेने ठरवलेल्या मर्यादांना पूरक अशी.

दुसरा उपयोग गुरुत्वाचा. गुरुत्व दोन वस्तुमानांना गुंतवू (entangle) शकते का, हा एक मध्यवर्ती खुला प्रश्न आहे. पथकाच्या गुणवत्ता-मापानुसार (figure of merit), गुंतवणूक निर्माण करणे आणि ती गमावणे यांच्यातील गुणोत्तराच्या बाबतीत असे दोन रोटर आधी प्रत्यक्ष दाखवलेल्या कोणत्याही प्रणालीला जवळजवळ दोन परिमाण-श्रेणींनी मागे टाकतील, तरीही ते ध्येयापासून खूप दूरच असतील. लेखक लिहितात की रोटरचे फिरणे वाचण्यासाठी एक साधी प्रकाशीय पोकळी (optical cavity) जोडल्यास, आवश्यक शुद्धता आवाक्यात येईल.