ความไม่แน่นอนในระดับใหญ่

หลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก ซึ่งเป็นหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม ได้แสดงให้เห็นในระดับที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า งานวิจัยที่อธิบายใน วารสาร Science 15 กุมภาพันธ์สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์ตรวจจับการรบกวนเล็กๆ น้อยๆ ในโครงสร้างของอวกาศที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำ

Keith Schwab นักฟิสิกส์จาก Caltech ผู้ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการวิจัยกล่าวว่า “หลักการความไม่แน่นอนได้รับการแสดงให้เห็นในหลาย ๆ ด้าน แต่การได้เห็นมันบนวัตถุกลไกที่มองเห็นได้นั้นยอดเยี่ยมมาก นอกจากการประยุกต์ใช้ทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์แล้ว การศึกษายังอาจนำไปสู่วิธีการปฏิบัติในการส่งและประมวลผลข้อมูลจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมได้อีกด้วย

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันชื่อ แวร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก 

หลักการความไม่แน่นอนที่โด่งดังในปี 1927 ระบุว่า มีขีดจำกัดพื้นฐานในการวัดตำแหน่งและโมเมนตัมของวัตถุได้อย่างแม่นยำในเวลาเดียวกัน เพื่อแสดงทฤษฎีของเขา ไฮเซนเบิร์กได้ยกตัวอย่างการ  ใช้กล้องจุลทรรศน์เพื่อค้นหาอิเล็กตรอนตัวเดียว การทำเช่นนี้จะต้องมีแสงสะท้อนจากอิเล็กตรอน เขาแนะนำว่าปัญหาคือแม้แสงเพียงโฟตอนเดียวก็สามารถเตะอิเล็กตรอนได้ เปลี่ยนโมเมนตัมและทำให้ตำแหน่งของอิเล็กตรอนเปลี่ยนไป 

โดยทั่วไปแล้ว การเชื่อมโยงระหว่างตำแหน่งและโมเมนตัมจะมีบทบาทเพียงเล็กน้อยในวัตถุที่มีขนาดใหญ่พอที่จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ผลกระทบอื่นๆ เช่น ความร้อนจะส่งแรงกระตุ้นไปยังอนุภาคมากกว่าแสงที่ใช้ในการวัด อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ Thomas Purdy และทีมของเขาที่ JILA ในโบลเดอร์ รัฐโคโล ต้องการแสดงให้เห็นถึงหลักการความไม่แน่นอนในระดับมหภาค ดังนั้นพวกเขาจึงเริ่มวัดตำแหน่งของวัตถุที่มองเห็นได้ซึ่งประกอบด้วยอะตอมหลายล้านล้านอะตอมด้วยการยิงเลเซอร์ซึ่งประกอบด้วยโฟตอน 100 ล้านโฟตอน

ทีมของ Purdy เริ่มต้นด้วยการสร้างกลองขนาดเล็กโดยใช้โครงซิลิกอนประมาณ 0.5 มม. 

ที่ด้านตรงข้ามซึ่งขยายผิวซิลิคอนไนไตรด์ที่ยืดหยุ่นได้ เพื่อลดผลกระทบจากความร้อน นักวิจัยได้ทำให้ถังซักเย็นลงที่อุณหภูมิ 4 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ทีมงานจึงเพิ่มกระจกบานเล็กๆ ไว้ข้างๆ กลองแต่ละหน้า จากนั้นนักวิจัยก็ยิงเลเซอร์และปล่อยให้แสงสะท้อนระหว่างกระจกทั้งสอง

เมื่อแสงสะท้อนกลับไปกลับมา โฟตอนส่วนใหญ่จะกระทบกับดรัมและถ่ายโอนโมเมนตัมก่อนที่จะเข้าสู่ เครื่องตรวจจับซึ่งคำนวณตำแหน่งของดรัม ตามทฤษฎีของไฮเซนเบิร์ก กลองสั่นสะเทือนตามลำดับพิโคมิเตอร์หรือหนึ่งในล้านล้านของเมตร เนื่องจากการเตะโฟตอนเพียงเล็กน้อย

ค่าความไม่แน่นอนของพิโคมิเตอร์สองสามพิโคเมตรอาจดูเหมือนไม่มากในบริบทของวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่าแปดอันดับ แต่มันสำคัญมากสำหรับนักวิทยาศาสตร์บางคนที่ต้องการการวัดที่แม่นยำเป็นพิเศษ

ในโครงการในรัฐหลุยเซียนาและวอชิงตันที่เรียกว่า Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory หรือ LIGO นักฟิสิกส์กำลังใช้การตั้งค่าการทดลองที่คล้ายกับของ Purdy แต่ใหญ่กว่ามาก ในการล่าคลื่นความโน้มถ่วง — ระลอกคลื่นในโครงสร้างของอวกาศที่เกิดจากการรวมตัวของหลุมดำและ ปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ขนาดใหญ่อื่นๆ อุปกรณ์ LIGO แต่ละเครื่องประกอบด้วยเลเซอร์ที่แบ่งออกเป็นสองคานตั้งฉาก แสงในแต่ละลำจะสะท้อนระหว่างกระจกสองบานโดยแยกจากกันสี่กิโลเมตร เช่นเดียวกับทีมของ Purdy ใช้เลเซอร์เพื่อกำหนดตำแหน่งของดรัม นักฟิสิกส์ของ LIGO ใช้ลำแสงเพื่อวัดตำแหน่งของกระจกแต่ละบานและระยะห่างระหว่างกระจกทั้งสองข้าง

ตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ คลื่นความโน้มถ่วงที่เคลื่อนผ่านจะทำให้ระยะห่างที่วัดได้ระหว่างกระจกเงาเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ตามลำดับหนึ่งในพันล้านของพันล้านเมตรในช่วงเวลาสั้นที่สุด

เมื่อโครงการ LIGO เริ่มขึ้นในปี 2545 ความแม่นยำของการทดลองถูกจำกัดด้วยเทคโนโลยี แต่ตอนนี้วิศวกรได้พัฒนาเครื่องมือที่แม่นยำเช่นนั้น ซึ่งในไม่ช้าพวกเขาจะต้องเผชิญกับการแยกความผันผวนของระยะทางที่เกิดจากคลื่นความโน้มถ่วงจริง

Purdy กล่าวว่างานของทีมของเขาอาจนำไปสู่เซ็นเซอร์ที่ดีขึ้นซึ่งจะช่วยลดความผันผวนของหลักการของไฮเซนเบิร์ก “เราต้องการสำรวจขีดจำกัดของสิ่งที่เซนเซอร์เหล่านี้สามารถทำได้” เขากล่าว

credit : societyofgentlemengamers.org nlbcconyers.net thebiggestlittle.org sjcluny.org retypingdante.com funnypostersgallery.com bethanyboulder.org 1stebonysex.com davidbattrick.org lynxdesign.net