ROTA YA MILIGRAMU MOJA, ILIYOTULIZWA KWA KUTAZAMWA

Katika miaka ishirini iliyopita, wanafizikia wamejifunza kudhibiti vitu vya kimekaniki karibu na mipaka yao ya kwantumu — kuanzia vitoa-mwangwi (resonators) vya kiwango cha nano vyenye uzito wa femtogramu hadi vioo vya kilo kadhaa vya vigunduzi vya mawimbi ya uvutano. Lakini karibu vyote ni viyumbisho (oscillators): kitu fulani, kama springi, huvivuta kurudi katikati. Mfumo rahisi zaidi wa mekaniki ya kwantumu, chembe huru, isiyo na kitu chochote cha kuivuta kurudi, umepinga udhibiti kama huo. Katika masafa ya chini ambamo mwendo huru hutokea, msuguano na kelele kutoka kwa mazingira huzamisha kila kitu.

Hata hivyo masi huru ndizo hasa zinazohitajika na maswali kadhaa makubwa: kupima kama uvutano ni wa kikwantumu, kuchunguza mabadiliko yanayopendekezwa kwa mekaniki ya kwantumu, kutafuta nguvu mpya za masafa mafupi.

Kioo-akisi kwenye uzi wa kioo

Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten na wenzao katika Institute of Science and Technology Austria walijenga kitu cha majaribio: kipande cha kioo-akisi chenye uzito wa miligramu 1 cha silika iliyoyeyushwa (fused silica), chenye urefu wa milimita 2, kikining’inia kwenye nyuzi ya silika iliyoyeyushwa yenye urefu wa sentimita 15 na unene wa mikromita 1, katika ombwe lililo chini ya milibari 10⁻¹⁰. Kwa usahihi, ni pendulamu ya msokoto (torsion pendulum) inayoyumba kwenda na kurudi mara moja kila sekunde 15. Lakini katika vipimo vya muda vinavyohusika hapa, makumi ya milisekunde, karibu haihisi mvuto huo: hufanya kazi kama kitu huru.

Kutengwa kwake ni kwa kiwango cha juu kabisa. Timu ilipima nguvu za msokoto (torques) za nasibu zinazoisukasuka na haikupata kelele yoyote zaidi ya ile ambayo kiwango cha kufifia — kasi ambayo msuguano na mazingira yake hupunguza mwendo wake — cha nanohezi 7 tu kingezalisha. Kikitumiwa kama kipima-mchapuko (accelerometer), ncha ya kipande hicho ingekuwa na usikivu karibu mara mia zaidi kuliko majaribio bora ya awali kwa masi hii.

Ili kukitazama, “nyenzo-kiwiko ya macho maradufu” (double optical lever) hurudisha miale miwili ya leza kutoka kwenye kioo-akisi kwa mielekeo inayopingana, ili mtikisiko wa leza yenyewe ujifute na kubaki tu mzunguko wa kipande. Mwali wa tatu unaweza kukisukuma kipande kwa shinikizo la mwanga. Mpangilio mzima umesimama juu ya jukwaa la kuzuia mitetemeko ya ardhi, na interferomita ndogo yenye kioo-akisi chake kinachoning’inia hufuatilia mwendo wowote uliobaki wa jukwaa hilo.

Kipimo badala ya mtego

Wazo kuu ni kwamba kipimo endelevu kinaweza kuchukua nafasi ya mtego. Kikiachwa peke yake, nafasi na kasi ya kitu huru huenea kwa kutokuwa na uhakika zaidi na zaidi. Kikipimwa bila kusimama, njia yake hufichuka kadiri inavyoendelea, na ujuzi wetu wa hali yake hutulia katika ukungu thabiti wenye kikomo. Hapa ukungu huo hutulia ndani ya takriban milisekunde 26.

Kutokuwa na uhakika huko kunakobaki kunaweza kugeuzwa kuwa halijoto, kupitia ufafanuzi wa kiada unaohusisha halijoto na mabadiliko ya entropia — kipimo cha kiasi kisichojulikana kuhusu mfumo. “Halijoto ya kientropia” hii husema jinsi mwendo wa rota unavyojulikana kwa ukali, si jinsi kioo kilivyo baridi: kipande chenyewe hakipozwi. Inaruhusu vitu huru kulinganishwa na viyumbisho.

Timu ilikinasa kipande kwa mwanga, ikakiachilia, na kurekodi pembe yake katika vipindi 100 vya sekunde 1.25. Njia mbili za kuunda upya hali yake zililinganishwa: makadirio ya “kisababishi” (causal) yanayotumia vipimo vya awali tu, na yale “yaliyolainishwa” (smoothed) yanayotumia pia vipimo vilivyofanywa baadaye. Tofauti kati ya hizo mbili ilitoa njia mpya ya kukagua jinsi hali hiyo inavyojulikana kweli.

Nanokelvini 140

Kutokana na data ya awali peke yake, hali ya rota inalingana na mikrokelvini 1.2.
Kwa ulainishaji, inashuka hadi nanokelvini 140 — sehemu 140 za bilioni moja ya nyuzi juu ya sufuri halisi.

Hiyo ni takriban baridi zaidi kwa vipeo viwili vya ukubwa kuliko majaribio ya awali ya mezani yenye vitu vya kimekaniki. Waandishi wanabainisha kwamba hilo linaileta mifumo kama hiyo katika eneo la baridi kali mno, ambalo hadi sasa limehusishwa hasa na mawingu ya atomi yaliyopozwa kwa mvukizo. Upoaji wa kawaida kwa mrejesho (feedback cooling) usingeweza kulifikia.

Kuna sakafu. Kwa kiwango hiki cha kutengwa, modeli inatabiri kwamba halijoto haiwezi kushuka chini ya takriban nanokelvini 15: kwa kanuni ya kutokuwa na uhakika ya Heisenberg, kupima nafasi kwa ukali zaidi na zaidi hufanya kasi ya mzunguko kuwa na ukungu zaidi na zaidi.

Masi huru tulivu inafaa kwa nini

Matumizi mawili yanakuja mara moja. Baadhi ya nadharia hubadilisha mekaniki ya kwantumu ili ukungu wa kikwantumu uporomoke wenyewe, jambo ambalo lingeongeza mtikisiko hafifu wa nasibu kwa kila kitu. Utulivu uliopimwa wa rota unaondoa wigo mpya wa modeli hizo katika masafa ya chini, ukikamilisha mipaka iliyowekwa na misheni ya anga ya LISA Pathfinder.

Matumizi ya pili ni uvutano. Kama uvutano unaweza kufungamanisha (entangle) masi mbili — kuunganisha hali zao za kikwantumu kiasi kwamba hakuna moja inayoweza kuelezwa peke yake — ni swali kuu lililo wazi. Kwa kipimo cha ubora cha timu (figure of merit), rota mbili kama hizo tayari zingeshinda mfumo wowote ulioonyeshwa hapo awali kwa karibu vipeo viwili vya ukubwa kwa uwiano kati ya kuunda mfungamano na kuupoteza, ingawa bado ziko mbali na lengo. Kuongeza kaviti ndogo ya macho (optical cavity) ili kusoma mzunguko, waandishi wanaandika, kungeleta karibu usafi unaohitajika — jinsi hali ya kikwantumu ya rota ilivyobainishwa kwa ukali.