Cel mai bun mod de a găsi o comoară îngropată poate fi cu un senzor de gravitație cuantică.
În aceste dispozitive, atomii în cădere liberă dezvăluie variații subtile în atracția gravitațională a Pământului în diferite locuri. Aceste variații reflectă diferențele în densitatea materialului de sub senzor – permițând efectiv instrumentului să privească în subteran. În cadrul unui nou experiment, unul dintre aceste aparate a scos la iveală semnătura gravitațională minusculă a unui tunel subteran, raportează cercetătorii în revista Feb. 24 Nature.
„Instrumentele de acest gen ar găsi multe, multe aplicații”, spune Nicola Poli, fizician experimental la Universitatea din Florența, care a fost coautor al unui comentariu despre studiu în același număr de Nature.
Poli își imaginează utilizarea senzorilor de gravitație cuantică pentru a monitoriza apele subterane sau magma de sub vulcani, sau pentru a ajuta arheologii să descopere morminte ascunse sau alte artefacte fără a fi nevoie să le dezgroape (SN: 11/2/17). Aceste dispozitive ar putea, de asemenea, să ajute fermierii să verifice calitatea solului sau să ajute inginerii să inspecteze potențialele șantiere de construcții pentru a detecta terenul instabil.
„Există multe instrumente pentru a măsura gravitația”, spune Xuejian Wu, fizician atomic la Universitatea Rutgers din Newark, N.J., care nu a fost implicat în acest studiu. Unele dispozitive măsoară cât de mult trage gravitația în jos o masă atârnată de un resort. Alte instrumente folosesc lasere pentru a cronometra cât de repede se rostogolește un obiect într-o cameră de vid. Dar atomii în cădere liberă, cum ar fi cei din senzorii de gravitație cuantică, sunt cele mai imaculate și mai fiabile mase de testare existente, spune Wu. Prin urmare, senzorii cuantici promit să fie mai exacți și mai stabili pe termen lung decât alte sonde gravitaționale.
În interiorul unui senzor de gravitație cuantică, un nor de atomi supraîncălziți este aruncat pe un tobogan. Un impuls de lumină împarte apoi fiecare dintre atomii care cad într-o stare de superpoziție – un limbo cuantic în care fiecare atom există în două locuri în același timp (SN: 11/7/19). Datorită pozițiilor lor ușor diferite în câmpul gravitațional al Pământului, cele două versiuni ale fiecărui atom simt o tragere în jos diferită în timp ce cad. Un alt impuls de lumină recombină apoi atomii separați.
Datorită dualității undă-particulă a atomilor – o regulă ciudată a fizicii cuantice care spune că atomii pot acționa ca niște unde – atomii reunificați interferează unul cu celălalt (SN: 1/13/22). Altfel spus, pe măsură ce undele atomice se suprapun, crestele și depresiunile lor se pot întări sau anula reciproc, creând un model de interferență. Acest model reflectă atracțiile descendente ușor diferite pe care versiunile divizate ale fiecărui atom le-au simțit în timp ce cădeau – dezvăluind câmpul gravitațional la locația norului atomic.
Măsurătorile extrem de precise efectuate de astfel de dispozitive bazate pe atomi au ajutat la testarea teoriei gravitației a lui Einstein (SN: 10/28/20/20) și să măsoare constantele fundamentale, cum ar fi constanta gravitațională a lui Newton (SN: 4/12/18). Dar senzorii de gravitație pe bază de atomi sunt foarte sensibili la vibrațiile cauzate de activitatea seismică, de trafic și de alte surse.
„Chiar și vibrațiile foarte, foarte mici creează suficient zgomot încât trebuie să măsori timp îndelungat” în orice locație pentru a elimina trepidațiile de fond, spune Michael Holynski, fizician la Universitatea din Birmingham, Anglia. Acest lucru a făcut ca detectarea gravitației cuantice să fie nepractică pentru multe utilizări în afara laboratorului.
Echipa lui Holynski a rezolvat această problemă construind un senzor de gravitație cu nu unul, ci doi nori de atomi de rubidiu în cădere. Cu un nor suspendat la un metru deasupra celuilalt, instrumentul ar putea măsura puterea gravitației la două înălțimi diferite într-o singură locație. Compararea acestor măsurători le-a permis cercetătorilor să anuleze efectele zgomotului de fond.
Holynski și colegii săi au testat dacă senzorul lor – o parașută de 2 metri înălțime pe roți, legată de un cărucior cu echipamente rulante – ar putea detecta un pasaj subteran din campusul Universității din Birmingham. Tunelul din beton de 2 pe 2 metri se afla sub un drum între două clădiri cu mai multe etaje. Senzorul cuantic a măsurat câmpul gravitațional local la fiecare 0,5 metri de-a lungul unei linii de 8,5 metri care traversa tunelul. Aceste citiri corespundeau previziunilor unei simulări pe calculator, care estimase semnalul gravitațional al tunelului pe baza structurii acestuia și a altor factori care ar putea influența câmpul gravitațional local, cum ar fi clădirile din apropiere.
Pe baza sensibilității mașinii în acest experiment, aceasta ar putea probabil să furnizeze o măsurătoare fiabilă a gravitației în fiecare locație în mai puțin de două minute, estimează cercetătorii. Aceasta reprezintă aproximativ o zecime din timpul necesar pentru alte tipuri de senzori de gravitație.
De atunci, echipa a construit o versiune redusă a senzorului de gravitație utilizat în experimentul de detectare a tunelului. Noua mașină cântărește aproximativ 15 kilograme, în comparație cu bestia de 300 de kilograme folosită pentru testul din tunel. Alte îmbunătățiri ar putea, de asemenea, să sporească viteza senzorului de gravitație.
În viitor, inginerul Nicole Metje are în vedere construirea unui senzor gravitațional cuantic care ar putea fi împins dintr-un loc în altul ca o mașină de tuns iarba. Dar portabilitatea nu este singura provocare pentru a face aceste instrumente mai ușor de utilizat, spune Metje, coautor al studiului, care este, de asemenea, la Universitatea din Birmingham. „În momentul de față, încă avem nevoie de cineva cu o diplomă în fizică pentru a opera senzorul”.
Deci, cei care speră să vină pe plajă ar putea aștepta mult timp pentru a-și schimba detectoarele de metale cu senzori de gravitație cuantică.