İZLENEREK YERİNDE TUTULAN BİR MİLİGRAMLIK ROTOR

Son yirmi yılda fizikçiler, mekanik cisimleri kuantum sınırlarına yakın biçimde denetlemeyi öğrendi — femtogram ağırlığındaki nano ölçekli rezonatörlerden kütleçekim dalgası dedektörlerinin birkaç kilogramlık aynalarına kadar. Ama bunların neredeyse hepsi osilatördür: yay gibi bir şey onları merkeze geri çeker. Kuantum mekaniğinin en basit sistemi olan, hiçbir şeyin geri çekmediği serbest parçacık ise böyle bir denetime direndi. Serbest hareketin gerçekleştiği düşük frekanslarda çevreden gelen sürtünme ve gürültü her şeyi bastırır.

Oysa birkaç büyük sorunun tam olarak ihtiyaç duyduğu şey serbest kütleler: kütleçekimin kuantum olup olmadığını sınamak, kuantum mekaniğine önerilen değişiklikleri yoklamak, yeni kısa menzilli kuvvetler aramak.

Cam bir iplikte bir ayna

Avusturya Bilim ve Teknoloji Enstitüsü’nden (Institute of Science and Technology Austria) Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten ve meslektaşları sınama cismini yaptı: 10⁻¹⁰ milibarın altındaki bir vakumda, 15 santimetre uzunluğunda ve 1 mikrometre kalınlığında erimiş silika bir life asılı, 2 milimetre uzunluğunda, 1 miligram ağırlığında erimiş silika bir ayna çubuğu. Kesin konuşmak gerekirse bu, her 15 saniyede bir kez ileri geri salınan bir burulma sarkacı. Ama burada önemli olan zaman ölçeklerinde, yani onlarca milisaniyede, bu çekişi neredeyse hiç hissetmiyor: serbest bir cisim gibi davranıyor.

Yalıtımı aşırı düzeyde. Ekip onu sarsan rastgele torkları ölçtü ve yalnızca 7 nanohertzlik bir sönümlenme hızının üreteceğinin ötesinde hiçbir gürültü bulmadı. İvmeölçer olarak kullanıldığında çubuğun ucu, bu kütledeki en iyi önceki deneylerden neredeyse yüz kat daha duyarlı olurdu.

Onu izlemek için bir “çift optik kaldıraç” (double optical lever) iki lazer ışınını aynadan zıt yönlerde yansıtır; böylece lazerin kendisindeki bir oynama etkisiz kalır ve geriye yalnızca çubuğun dönüşü kalır. Üçüncü bir ışın çubuğu ışık basıncıyla itebilir. Tüm düzenek bir sismik yalıtım platformunun üzerinde duruyor ve kendi asılı aynası olan küçük bir interferometre bu platformun geriye kalan her hareketini izliyor.

Tuzak yerine ölçüm

Temel fikir, sürekli ölçümün tuzağın yerini alabileceği. Kendi hâline bırakılan serbest bir cismin konumu ve hızı, giderek artan bir belirsizlikle yayılır. Durmaksızın ölçüldüğünde ise yörüngesi ilerledikçe ortaya çıkar ve durumuna dair bilgimiz kararlı, sonlu bir bulanıklığa oturur. Burada bu bulanıklık yaklaşık 26 milisaniyede kararlı hâle geliyor.

Bu artık belirsizlik, sıcaklığı entropi değişimlerine bağlayan ders kitabı tanımı aracılığıyla bir sıcaklığa dönüştürülebilir. Bu “entropik sıcaklık”, rotorun hareketinin ne kadar keskin bilindiğini söyler ve serbest cisimlerin osilatörlerle karşılaştırılmasını sağlar.

Ekip çubuğu ışıkla tuzağa aldı, serbest bıraktı ve açısını 1,25 saniyelik 100 dilimde kaydetti. Durumunu yeniden kurmanın iki yolu karşılaştırıldı: yalnızca geçmiş ölçümleri kullanan “nedensel” (causal) bir tahmin ve sonradan yapılan ölçümleri de kullanan “düzeltilmiş” (smoothed) bir tahmin. İkisi arasındaki fark, durumun gerçekte ne kadar iyi bilindiğini denetlemenin yeni bir yolunu sağladı.

140 nanokelvin

Yalnızca geçmiş verilerden, rotorun durumu 1,2 mikrokelvine karşılık geliyor.
Düzeltmeyle 140 nanokelvine iniyor — mutlak sıfırın 140 milyarda bir derece üzeri.

Bu, mekanik cisimlerle yapılan önceki masaüstü deneylerinden yaklaşık iki büyüklük mertebesi daha soğuk. Yazarlar bunun, bu tür sistemleri şimdiye dek esas olarak buharlaştırmayla soğutulan atom bulutlarıyla ilişkilendirilen ultra soğuk rejime taşıdığını belirtiyor. Geleneksel geri besleme soğutması buna ulaşamazdı.

Bir taban var. Bu yalıtım düzeyi için model, sıcaklığın yaklaşık 15 nanokelvinin altına inemeyeceğini öngörüyor: Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre konumu giderek daha ince ölçmek, dönme hızını giderek daha fazla bulanıklaştırır.

Sakin bir serbest kütle ne işe yarar

İki kullanım hemen akla geliyor. Bazı kuramlar kuantum mekaniğini, kuantum bulanıklığı kendiliğinden çökecek biçimde değiştirir; bu da her cisme soluk, rastgele bir titreşim eklerdi. Rotorun ölçülen durgunluğu, düşük frekanslarda bu modellerin yeni bir aralığını dışlıyor; bu sonuç, LISA Pathfinder uzay görevinin koyduğu sınırları tamamlıyor.

İkinci kullanım kütleçekimle ilgili. Kütleçekimin iki kütleyi dolanık hâle getirip getiremeyeceği, temel açık sorulardan biri. Ekibin başarım ölçütüne göre bu türden iki rotor, dolanıklık yaratma ile onu yitirme arasındaki oranda daha önce gösterilmiş her sistemi şimdiden neredeyse iki büyüklük mertebesiyle geride bırakırdı, ama hedefe hâlâ çok uzak kalırdı. Yazarlara göre dönüşü okumak için mütevazı bir optik kovuk eklemek, gereken saflığı ulaşılabilir kılardı.