Zmierzono najmniejszą siłę
Dzięki kombinacji laserów i wyjątkowej pułapki, w którą schwytano niezwykle zimne atomy, naukowcom z Lawrence Berkeley National Laboratory i University of California Berkeley udało się zmierzyć najmniejszą znaną nam siłę. Wynosi ona... 42 joktoniutony. Joktoniuton to jedna kwadrylionowa (10-24) niutona.
Przyłożyliśmy zewnętrzną siłę do centrum masy superzimnej chmury atomów i optycznie zmierzyliśmy jej ruch. […] czułość naszego pomiaru jest zgodna z teoretycznymi przewidywaniami i jest jedynie czterokrotnie mniejsza od limitu kwantowego, który wyznacza granicę najbardziej dokładnego pomiaru - mówi fizyk Dan Stamper-Kurn.
Prowadzenie tak dokładnych pomiarów jest niezbędne, jeśli chcemy potwierdzić istnienie fal grawitacyjnych. Dlatego też wiele zespołów naukowych stara się udoskonalać metody pomiarowe. Na przykład naukowcy w Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory próbują zmierzyć przesunięcie zaledwie o 1/1000 średnicy protonu.
Kluczem do sukcesu wszelkich superdokładnych pomiarów jest wykorzystanie mechanicznych oscylatorów, które przekładają zewnętrzną siłę, której oddziaływaniu został poddany obiekt, na jego ruch. Gdy jednak pomiary siły i ruchu staną się tak dokładne, że dotrzemy do limitu kwantowego, ich dalsze wykonywanie nie będzie możliwe, gdyż sam pomiar – zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga – będzie zakłócany ruchem oscylatora. Naukowcy od dziesiątków lat próbują przybliżyć się do tego limitu kwantowego. Dotychczas jednak najlepsze pomiary były od niego gorsze o 6-8 rzędów wielkości. Zmierzyliśmy siłę z dokładnością najbliższą limitowi kwantowemu. Było to możliwe, gdyż nasz mechaniczny oscylator składa się z zaledwie 1200 atomów - stwierdził Sydney Schreppler. Oscylatorem wykorzystanym przez Schrepplera, Stampera-Kurna i innych były atomy rubidu schłodzone niemal do zera absolutnego. Pułapkę stanowiły dwa promienie lasera o długości fali wynoszącej 860 i 840 nanometrów. Stanowiły one równe i przeciwstawne siły osiowe oddziałujące na atomy. Ruch centrum masy został wywołany w gazie poprzez modulowanie amplitudy drgań promienia światła o długości fali 840 nanometrów.
Gdy do oscylatora przyłożyliśmy siłę zewnętrzną, było to tak, jakbyśmy uderzyli batem w wahadło i zbadali jego reakcję - mówi Schreppler.
Komentarze (8)
Astroboy, 9 lipca 2014, 12:57
Może nie rozumiem zasady Heisenberga, ale uczono mnie, że dotyczy ona dwu wartości, które nie komutują jak np. położenie i pęd, czy energia i czas. Zasada ta nie daje jakiegokolwiek ograniczenia na dokładność pomiaru którejkolwiek wielkości, jedynie na iloczyn dokładności pomiaru obu wielkości. Czym dokładniej wiem (nie ma tu limitu) jaką energię ma dany układ, tym mniej wiem "kiedy" jest.
Przeciwstawność jakoś mogę sobie wyobrazić, ale równość? Może czegoś nie łapię, ale energia fotonu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali...
Usher, 9 lipca 2014, 15:21
Jeśli dobrze zrozumiałem, to rzecz wyglądała w wielkim skrócie mniej więcej tak:
1. Atomy były w pułapce, czyli miały dobrze określone położenie, zatem nieoznaczoność dotyczyła pędu i wielkości z nim związanych, np. przyspieszenia czy siły.
2. Z opisu wynika, że można było dostrajać natężenie światła o długości 840 nm, czyli na początku dostrojono jego natężenie tak, by równoważyło promień o długości 860 nm, a potem bawiono się w odstrajanie od punktu równowagi.
Astroboy, 9 lipca 2014, 15:39
Ad. 1. Masz rację (może warto to ująć w artykule?).
Ad. 2. Stoi to w sprzeczności z:
"Pułapkę stanowiły dwa promienie lasera o długości fali wynoszącej 860 i 840 nanometrów. Stanowiły one równe i przeciwstawne siły osiowe oddziałujące na atomy."
Dzięki.
Usher, 9 lipca 2014, 18:28
Ad 2. Nie stoi w sprzeczności, jeśli uznasz, że promień to wiązka fotonów. Wtedy staje się oczywiste, że większą energię fotonów z jednej wiązki trzeba zrównoważyć większą liczbą słabszych fotonów z drugiej wiązki.
Astroboy, 9 lipca 2014, 18:32
Serio? Czy też podobne rozumowanie nie padło ponad wiek temu przy próbie wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego?
Usher, 9 lipca 2014, 22:03
Serio to powinieneś wiedzieć, dlaczego wybrano takie, a nie inne długości fal.
pogo, 9 lipca 2014, 22:05
A ja serio nie wiem czemu... Poproszę o wyjaśnienie.
limak, 11 lipca 2014, 00:38
1. Jeżeli możemy dokładnie zmierzyć położenie (bo tak przeprowadzono pomiar siły "Przyłożyliśmy zewnętrzną siłę do centrum masy superzimnej chmury atomów i optycznie zmierzyliśmy jej ruch" prawdopodobnie obliczali siłę ze zmierzonego przyspieszenia znanej masy) to tracimy informację o pędzie a z II ZDN pęd jest proporcjonalny do siły więc stąd to ograniczenie dokładności.
2. rozstrojenie laserów (od długości 850nm - prawdopodobnie max absorpcji atomów) to najprawdopodobniej tzw. pułapka świetlna/laserowa, w której atomy "uciekające" z pułapki absorbują promieniowanie padające przeciwnie do kierunku ich ucieczki - rozstrojenie jest po to aby absorpcja zachodziła tylko na atomach uciekających (ze względu na efekt Dopplera atomy uciekające "czują" falę odstrojoną jako falę wzbudzającą). Chociaż w standardowej pułapce tego typu używa się tylko laserów o krótszej długości fali więc mogę się mylić