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Los físicos han detectado ruido cuántico en el laboratorio LIGO: ¿qué necesita saber?

Investigadores del proyecto LIGO han demostradocómo el ajuste ultrafino de los instrumentos les permite superar los límites de las leyes fundamentales de la física. El Observatorio de ondas gravitacionales interferométricas láser (LIGO) detecta las ondas gravitacionales que surgen de eventos catastróficos en el universo, como la fusión de estrellas de neutrones y agujeros negros. Estas fluctuaciones del espacio-tiempo permiten a los científicos observar efectos gravitacionales en condiciones extremas y explorar preguntas fundamentales sobre el universo y su historia. Los científicos han registrado recientemente el movimiento de un objeto masivo, un espejo detector, bajo la influencia de los efectos cuánticos. Pero ¿qué significa esto?

Los laboratorios LIGO VIRGO han descubierto ondas gravitacionales

¿Qué es el ruido cuántico?

Los físicos han podido medir recientemente el cambio de un enormeespejos del detector LIGO, con un peso de hasta cuarenta kilogramos. Recuerde que el grupo internacional de investigación LIGO incluye alrededor de 40 institutos de investigación, y más de 600 científicos están trabajando en el análisis de los datos provenientes del detector y otros observatorios. La tarea principal de LIGO es detectar y registrar ondas gravitacionales de origen cósmico, que Albert Einstein predijo por primera vez en la Teoría general de la relatividad (GR) en 1916.

Un estudio publicado en la revista Nature mostró que los espejos LIGO de 40 kilogramos pueden moverse en respuesta a pequeños efectos cuánticos llamados ruido cuántico En física, el ruido cuántico se refiere aincertidumbre de una cantidad física, que se debe a su origen cuántico. En general, el ruido cuántico es una de las leyes cuánticas fundamentales: el principio de incertidumbre de Heisenberg, según el cual algunas cantidades físicas no pueden tener simultáneamente valores absolutamente exactos.

Mejorar los instrumentos y dispositivos LIGO en el futuro revelará muchos secretos del universo.

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En términos simples, algunas cantidadeses imposible de medir, ya que las leyes físicas no lo permiten. En la práctica, esto significa que hay ruido cuántico en los datos de cualquier dispositivo de medición, que es tan pequeño que se pierde en un ruido más potente y aún no se puede eliminar. Sin embargo, los físicos pudieron medir el pequeño desplazamiento del espejo de 40 kilogramos del detector LIGO. Para comprender mejor lo que está sucediendo, imagine que el cambio registrado es varias veces menor que un átomo de hidrógeno. Pero, ¿por qué es este "temblor cuántico" fijo importante para la ciencia moderna?

¿Cómo funciona LIGO?

Desde el principio de incertidumbre de Heisenbergestablece que es imposible medir un par de cantidades físicas con absoluta precisión, sin embargo, la incertidumbre puede reducirse en una de ellas y aumentar en la otra. Esto es exactamente lo que hicieron los físicos en el curso del estudio: redujeron el ruido cuántico y verificaron si el ruido total de todas las fuentes cambió y, de ser así, cómo. Para hacer esto, utilizaron un dispositivo especial con el que lograron medir la contribución del ruido cuántico al desplazamiento de los espejos LIGO.

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Recuerde que el núcleo de los detectores LIGO contiene interferómetros láser a escala kilométrica, que mida la distancia entre espejos colgantes de 40 kg con la mejor precisión jamás lograda. El nivel de sensibilidad sin precedentes de LIGO se logra con la tecnología de vanguardia necesaria para suprimir la vibración y el ruido térmico en los detectores. Es en estos niveles de sensibilidad donde entra en juego la mecánica cuántica: los investigadores utilizaron la presión de la luz en los espejos y la cantidad de fotones en un rayo láser. La posición de los espejos es importante aquí, ya que solo la primera de las dos cantidades influye en ellos.

El proyecto LIGO fue propuesto en 1992 por Kip Thorne, Ronald Drever del Instituto de Tecnología de California y Rainer Weiss del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Es importante comprender que las leyes de la mecánica cuántica están en el corazón de la tecnología moderna, incluidas las computadoras, los teléfonos inteligentes y cualquier dispositivo eléctrico. Sabemos que las leyes cuánticas funcionan.

Por lo tanto, los investigadores pudieron demostrar que El ruido cuántico LIGO es la incertidumbre en la presión de la luz. Todo lo anterior significa que en el sitio de prueba de LIGO, los físicos pudieron mirar debajo del llamado límite cuántico estándar - el límite cuando solo se utilizan estados cuánticos naturales en las mediciones.

El experimento utilizó un método no clásico"Luz comprimida" que reduce las fluctuaciones cuánticas del campo láser. Hace apenas unos años, este tipo de comportamiento cuántico habría sido demasiado débil para ser observado. Pero las nuevas técnicas de medición están ampliando los horizontes de la física, y las futuras mejoras y actualizaciones de los instrumentos conducirán a una mayor sensibilidad para los instrumentos existentes. Esto significa que en el futuro seremos capaces de crear tecnologías de ondas gravitacionales que permitirán una penetración más detallada en el espacio-tiempo y revelarán los vertiginosos secretos del Universo. Entonces, nos espera una serie de fascinantes descubrimientos científicos.