Boseho–Einsteinův kondenzát. Kredit: LENS.

Dnes už víme s jistotou, že v divokých srážkách velmi hmotných těles vznikají gravitační vlny, které pak můžeme na Zemi detekovat. Problém je v tom, že gravitační vlny jsou ve skutečnosti nesmírně slaboučké. Reálně můžeme detekovat jenom ty nejsilnější ze všech a i u nich jsme na samotné hraně možností našich přístrojů. Momentálně k tomu potřebujeme rozlehlé gravitační observatoře kilometrových velikostí. Co kdybychom ale zkusili něco jiného?

Německý fyzik Ralf Schützhold z centra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a techniky TU Dresden a další odborníci zkoumají možnost, že bychom k detekci přízračných gravitačních vln mohli využít podivuhodný Boseho-Einsteinův kondenzát a jeho kvantové vlastnosti.

Ralf Schützhold.

Kredit: TU Dresden.

Albert Einstein už v roce 1916 tvrdil, že pohyby hmotných těles vytváří gravitační vlny, které rozvlní časoprostor a šíří se v něm rychlostí světla. Měly se pohybovat vlastně stejně, jako elektromagnetické vlny. Působení gravitačních vln je ale za normálních okolností natolik slabé, že sám Einstein nevěřil v jejich detekci. Jsou skutečně neuvěřitelně slabé. Když se tak obrovská hmota, jako je třeba Země, pohybuje na oběžné dráze kolem Slunce rychlostí asi 30 kilometrů za sekundu, tak při tom vznikají gravitační vlny o výkonu tak asi 300 wattů. To by nestačilo ani na běžný vysavač.

Z těchto důvodů jsme na Zemi zatím dokázali detekovat jenom gravitační vlny, které se k nám připlavily ze zběsilých srážek nesmírně hmotných těles. Jako je například srážka dvou černých děr, z nichž každá váží několik desítek Sluncí. I v takovém případě ale potřebujeme veliké gravitační observatoře, v nichž se gravitační vlna projeví změnou délky o zlomek biliontiny milimetru.

Bylo by skvělé, kdybychom to zvládli s menšími detektory. To je šance pro Boseho-Einsteinův kondenzát. Atomy této pozoruhodné hmoty se pohybují synchronizovaně. Když se ale skrz ně provlní výrazná gravitační vlna, tak by to mohlo ovlivnit kvazičástice fonony, které šíří vibrační kvanta. Je to podobné, jako když jsou vlny ve velké nádrži s vodou narušeny vlnami vyvolanými zemětřesením.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.

Mohli bychom tedy postavit malé a velmi citlivé detektory gravitačních vln s Boseho-Einsteinovým kondenzátem? Podle Schützholda to zatím ještě nepůjde. Potřebovali bychom totiž takové množství této podivuhodné kvantové substance, že to o několik řádů překračuje možnosti soudobých experimentů. V dnešní době jsou fyzici velmi rádi, když vyrobí Boseho-Einsteinův kondenzát s 1 milionem ultrachladných atomů rubidia. Pro realistickou detekci gravitačních vln bychom ale potřebovali mnohem více nežli milionkrát vyšší počet takových atomů.

Schützhold zároveň nabízí ještě další možnost detekce gravitačních vln. Podle něj totiž nepotřebujeme vyloženě čistý Boseho-Einsteinův kondenzát. Pokud se helium zchladí na méně než dva stupně nad absolutní nulou, tak z něj vznikne supratekuté helium. To je hmota, v níž je o něco méně než 10 procent synchronizovaných atomů helia, které odpovídají atomům Boseho-Einsteinova kondenzátu. Výhodou je, že supratekutého helia zvládneme vyrobit mnohem víc, nežli čistého Boseho-Einsteinova kondenzátu. A ve velkém množství supratekutého helia bude i veliké množství synchronizovaných atomů. Podle Schützholda ale není jasné, zda by bylo možné supratekuté helium skutečně používat k detekci gravitačních vln. To prý bude vyžadovat extrémně komplexní a složité propočty. Minidetektory s kvantovými substancemi tedy zatím nejsou na pořadu dne.

Video: Ralf Schützhold - Partner modes and bi-partite vs multi-partite entanglement


Literatura
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 12. 12. 2018, Physical Review D 98: 105019.