గమనించబడటం ద్వారానే నిశ్చలంగా నిలిపిన ఒక మిల్లీగ్రాము రోటర్
గత ఇరవై ఏళ్లలో, భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు యాంత్రిక వస్తువులను వాటి క్వాంటం పరిమితులకు దగ్గరగా నియంత్రించడం నేర్చుకున్నారు — ఫెమ్టోగ్రాముల బరువుండే నానోస్థాయి అనునాదకాల (resonators) నుంచి గురుత్వాకర్షణ తరంగ డిటెక్టర్లలోని అనేక కిలోగ్రాముల అద్దాల వరకు. కానీ దాదాపు అవన్నీ డోలకాలు (oscillators): స్ప్రింగ్ లాంటి ఏదో ఒకటి వాటిని మధ్యకు తిరిగి లాగుతుంది. క్వాంటం మెకానిక్స్‌లోని అత్యంత సరళమైన వ్యవస్థ, వెనక్కి లాగేది ఏదీ లేని స్వేచ్ఛా కణం (free particle), అలాంటి నియంత్రణకు లొంగలేదు. స్వేచ్ఛా చలనం జరిగే తక్కువ పౌనఃపున్యాల వద్ద, పరిసరాల నుంచి వచ్చే ఘర్షణ, శబ్దం అన్నింటినీ ముంచెత్తుతాయి.
అయినా అనేక పెద్ద ప్రశ్నలకు సరిగ్గా స్వేచ్ఛా ద్రవ్యరాశులే కావాలి: గురుత్వాకర్షణ క్వాంటం స్వభావం కలదా అని పరీక్షించడం, క్వాంటం మెకానిక్స్‌కు ప్రతిపాదించిన మార్పులను పరిశీలించడం, కొత్త స్వల్ప-పరిధి బలాల కోసం వెతకడం.
గాజు దారంపై ఒక అద్దం
ఇన్‌స్టిట్యూట్ ఆఫ్ సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ ఆస్ట్రియాకు చెందిన ఉమంగ్ మిశ్రా, టియోడర్ స్ట్రోమ్‌బెర్గ్, ఓనుర్ హోస్టెన్, సహచరులు పరీక్షా వస్తువును నిర్మించారు: ఫ్యూజ్డ్ సిలికాతో చేసిన, 2 మిల్లీమీటర్ల పొడవున్న, 1 మిల్లీగ్రాము బరువున్న అద్దపు కడ్డీ; అది 15 సెంటీమీటర్ల పొడవు, 1 మైక్రోమీటరు మందం ఉన్న ఫ్యూజ్డ్ సిలికా పోగుకు వేలాడుతూ, 10⁻¹⁰ మిల్లీబార్ కంటే తక్కువ పీడనం ఉన్న శూన్యంలో ఉంటుంది. కచ్చితంగా చెప్పాలంటే, ఇది ప్రతి 15 సెకన్లకు ఒకసారి ముందుకూ వెనక్కీ ఊగే ఒక మెలిక లోలకం (torsion pendulum). కానీ ఇక్కడ ముఖ్యమైన కాల వ్యవధుల్లో, అంటే పదుల మిల్లీసెకన్లలో, అది ఆ లాగుడును దాదాపు అనుభవించదు: ఒక స్వేచ్ఛా వస్తువులా ప్రవర్తిస్తుంది.
దాని ఏకాంతం తీవ్రమైనది. దాన్ని కుదుపుతున్న యాదృచ్ఛిక టార్క్‌లను బృందం కొలిచింది; అవమందన రేటు (damping rate) — పరిసరాలతో ఘర్షణ దాని చలనాన్ని హరించే వేగం — కేవలం 7 నానోహెర్ట్జ్ ఉంటే ఉత్పత్తయ్యేదాని కంటే ఎక్కువ శబ్దం ఏదీ కనిపించలేదు. త్వరణమాపకంగా (accelerometer) వాడితే, కడ్డీ కొన ఈ ద్రవ్యరాశి వద్ద ఉన్న ఉత్తమ గత ప్రయోగాల కంటే దాదాపు వంద రెట్లు ఎక్కువ సున్నితంగా ఉంటుంది.
దాన్ని గమనించడానికి, ఒక “ద్వంద్వ దృశా మీట” (double optical lever) రెండు లేజర్ కిరణాలను అద్దంపై నుంచి వ్యతిరేక దిశల్లో ప్రతిఫలింపజేస్తుంది, తద్వారా లేజర్ సొంత కంపనం రద్దయిపోయి, కడ్డీ భ్రమణం మాత్రమే మిగులుతుంది. మూడో కిరణం కాంతి పీడనంతో కడ్డీని నెట్టగలదు. మొత్తం అమరిక ఒక భూకంప ఏకాంత వేదికపై (seismic isolation platform) నిలుస్తుంది; సొంత వేలాడే అద్దం ఉన్న ఒక చిన్న వ్యతికరణమాపకం (interferometer) ఆ వేదికలో మిగిలిన ఏ చలనాన్నైనా అనుసరిస్తుంది.
ఉచ్చుకు బదులు కొలత
కీలక ఆలోచన ఏమిటంటే నిరంతర కొలత ఉచ్చు స్థానాన్ని భర్తీ చేయగలదు. ఒంటరిగా వదిలేస్తే, ఒక స్వేచ్ఛా వస్తువు స్థానం, వేగం మరింత మరింత అనిశ్చితంగా విస్తరిస్తాయి. ఆగకుండా కొలిస్తే, దాని పథం జరుగుతున్నకొద్దీ బయటపడుతుంది, దాని స్థితిపై మన జ్ఞానం ఒక స్థిరమైన, పరిమిత అస్పష్టతగా స్థిరపడుతుంది. ఇక్కడ ఆ అస్పష్టత సుమారు 26 మిల్లీసెకన్లలో స్థిరపడుతుంది.
మిగిలిన ఆ అనిశ్చితిని ఒక ఉష్ణోగ్రతగా మార్చవచ్చు, ఉష్ణోగ్రతను ఎంట్రోపీలో — ఒక వ్యవస్థ గురించి ఎంత తెలియదో తెలిపే కొలమానం — వచ్చే మార్పులతో ముడిపెట్టే పాఠ్యపుస్తక నిర్వచనం ద్వారా. ఈ “ఎంట్రోపిక్ ఉష్ణోగ్రత” (entropic temperature) రోటర్ చలనం ఎంత స్పష్టంగా తెలుసో చెబుతుంది, గాజు ఎంత చల్లగా ఉందో కాదు: కడ్డీని స్వయంగా చల్లబరచలేదు. ఇది స్వేచ్ఛా వస్తువులను డోలకాలతో పోల్చడానికి వీలు కల్పిస్తుంది.
బృందం కాంతితో కడ్డీని బంధించి, విడిచిపెట్టి, 1.25 సెకన్ల చొప్పున 100 విడతల్లో దాని కోణాన్ని నమోదు చేసింది. దాని స్థితిని పునర్నిర్మించే రెండు మార్గాలను పోల్చారు: గత కొలతలను మాత్రమే వాడే “కారణాత్మక” (causal) అంచనా, తర్వాత చేసిన కొలతలను కూడా వాడే “సున్నితం చేసిన” (smoothed) అంచనా. ఈ రెండింటి మధ్య తేడా, స్థితి నిజంగా ఎంత బాగా తెలుసో తనిఖీ చేయడానికి ఒక కొత్త మార్గాన్ని ఇచ్చింది.
140 నానోకెల్విన్
- గత డేటా నుంచి మాత్రమే అయితే, రోటర్ స్థితి 1.2 మైక్రోకెల్విన్‌కు సమానం.
- సున్నితం చేయడంతో, అది 140 నానోకెల్విన్‌కు పడిపోతుంది — పరమ శూన్యం కంటే 140 బిలియన్‌వ వంతుల డిగ్రీ ఎక్కువ.
యాంత్రిక వస్తువులతో చేసిన గత టేబుల్‌టాప్ ప్రయోగాల కంటే అది సుమారు రెండు పరిమాణ క్రమాల మేర చల్లనిది. ఇది అలాంటి వ్యవస్థలను అతి-శీతల (ultracold) పరిధిలోకి తీసుకొస్తుందని రచయితలు పేర్కొన్నారు; ఇప్పటివరకు ఆ పరిధి ప్రధానంగా బాష్పీభవనం ద్వారా చల్లబరిచిన పరమాణు మేఘాలతో ముడిపడి ఉంది. సంప్రదాయ ఫీడ్‌బ్యాక్ శీతలీకరణ దాన్ని చేరుకోలేకపోయేది.
ఒక కనిష్ఠ పరిమితి ఉంది. ఈ స్థాయి ఏకాంతానికి, ఉష్ణోగ్రత సుమారు 15 నానోకెల్విన్ కంటే కిందికి పడలేదని నమూనా అంచనా వేస్తుంది: హైసెన్‌బర్గ్ అనిశ్చితత్వ సూత్రం ప్రకారం, స్థానాన్ని మరింత మరింత సూక్ష్మంగా కొలవడం భ్రమణ వేగాన్ని మరింత మరింత అస్పష్టం చేస్తుంది.
నిశ్శబ్దమైన స్వేచ్ఛా ద్రవ్యరాశి దేనికి ఉపయోగపడుతుంది
వెంటనే రెండు ఉపయోగాలు కనిపిస్తాయి. కొన్ని సిద్ధాంతాలు క్వాంటం అస్పష్టత దానంతటదే కూలిపోయేలా క్వాంటం మెకానిక్స్‌ను మారుస్తాయి; అది ప్రతి వస్తువుకూ ఒక మసకైన, యాదృచ్ఛిక కంపనాన్ని జోడిస్తుంది. రోటర్ కొలిచిన నిశ్చలత తక్కువ పౌనఃపున్యాల వద్ద ఆ నమూనాల కొత్త శ్రేణిని తోసిపుచ్చుతుంది; ఇది LISA Pathfinder అంతరిక్ష మిషన్ నిర్ణయించిన పరిమితులకు పూరకంగా ఉంటుంది.
రెండో ఉపయోగం గురుత్వాకర్షణ. గురుత్వాకర్షణ రెండు ద్రవ్యరాశులను చిక్కుముడి (entangle) వేయగలదా — అంటే వాటి క్వాంటం స్థితులను ఏదీ ఒంటరిగా వర్ణించలేనంతగా అనుసంధానించగలదా — అనేది ఒక కేంద్ర అపరిష్కృత ప్రశ్న. బృందం యొక్క సామర్థ్య కొలమానం (figure of merit) ప్రకారం, అలాంటి రెండు రోటర్లు చిక్కుముడి సృష్టించడానికి, దాన్ని కోల్పోవడానికి మధ్య నిష్పత్తిలో, గతంలో ప్రదర్శించిన ఏ వ్యవస్థనైనా ఇప్పటికే దాదాపు రెండు పరిమాణ క్రమాల మేర అధిగమిస్తాయి, అయినా లక్ష్యానికి ఇంకా చాలా దూరంలోనే ఉంటాయి. భ్రమణాన్ని చదవడానికి ఒక మోస్తరు దృశా కుహరాన్ని (optical cavity) జోడిస్తే, అవసరమైన స్వచ్ఛత (purity) — రోటర్ క్వాంటం స్థితి ఎంత స్పష్టంగా నిర్వచించబడిందో తెలిపేది — అందుబాటులోకి వస్తుందని రచయితలు రాశారు.