เซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงใหม่ใช้พฤติกรรมควอนตัมแปลก ๆ ของอะตอมเพื่อมองดูใต้ดิน

อุปกรณ์ดังกล่าวสัญญาว่าจะมีความแม่นยำและเสถียรในระยะยาวมากกว่าหัววัดแรงโน้มถ่วงอื่น ๆ วิธีที่ดีที่สุดในการหาสมบัติที่ฝังอยู่อาจเป็นการใช้เซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงควอนตัม

ในอุปกรณ์เหล่านี้ อะตอมที่ตกอย่างอิสระเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงโน้มถ่วงของโลกที่ตำแหน่งต่างๆ รูปแบบเหล่านั้นสะท้อนความแตกต่างในความหนาแน่นของวัสดุที่อยู่ใต้เซ็นเซอร์ ซึ่งช่วยให้เครื่องมือมองไปใต้ดินได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในการทดลองครั้งใหม่ นักวิจัยรายงานในวันที่ 24 กุมภาพันธ์Natureโดยหนึ่งในเครื่องจักรเหล่านี้ล้อเลียนลายเซ็นแรงโน้มถ่วงเล็กๆ ของอุโมงค์ใต้ดิน

Nicola Poli นักฟิสิกส์เชิงทดลองจาก University of Florence กล่าวว่า “เครื่องมือลักษณะนี้จะพบแอปพลิเคชั่นมากมาย” ผู้เขียนร่วมแสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับการศึกษาในฉบับเดียวกันของNatureกล่าว

Poli จินตนาการถึงการใช้เซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงควอนตัมเพื่อตรวจสอบน้ำใต้ดินหรือหินหนืดใต้ภูเขาไฟ 

หรือเพื่อช่วยให้นักโบราณคดีค้นพบหลุมฝังศพที่ซ่อนอยู่หรือสิ่งประดิษฐ์อื่นๆ โดยไม่ต้องขุดขึ้นมา ( SN: 11/2/17 ) อุปกรณ์เหล่านี้ยังสามารถช่วยให้เกษตรกรตรวจสอบคุณภาพดินหรือช่วยวิศวกรตรวจสอบพื้นที่ก่อสร้างที่มีศักยภาพสำหรับพื้นดินที่ไม่เสถียร

“มีเครื่องมือมากมายในการวัดแรงโน้มถ่วง” Xuejian Wu นักฟิสิกส์ปรมาณูจาก Rutgers University ใน Newark รัฐนิวเจอร์ซีย์ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษากล่าว อุปกรณ์บางอย่างวัดว่าแรงโน้มถ่วงดึงมวลที่ห้อยลงมาจากสปริงได้ไกลแค่ไหน เครื่องมืออื่นๆ ใช้เลเซอร์เพื่อจับเวลาว่าวัตถุตกลงในห้องสุญญากาศได้เร็วแค่ไหน แต่อะตอมที่ตกอย่างอิสระเช่นเดียวกับในเซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงควอนตัมนั้นเป็นมวลทดสอบที่เก่าแก่และน่าเชื่อถือที่สุด Wu กล่าว ด้วยเหตุนี้ เซ็นเซอร์ควอนตัมจึงมีความแม่นยำและเสถียรในระยะยาวมากกว่าหัววัดแรงโน้มถ่วงอื่นๆ

ภายในเซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงควอนตัม เมฆของอะตอม supercooled จะตกลงมาในรางน้ำ จากนั้นพัลส์ของแสงจะแยกอะตอมที่ตกลงมาแต่ละอะตอมออกเป็นสถานะซ้อนทับกัน ซึ่งเป็นบริเวณขอบรกของควอนตัมซึ่งแต่ละอะตอมมีอยู่สองแห่งพร้อมกัน ( SN: 11/7/19 ) เนื่องจากตำแหน่งที่แตกต่างกันเล็กน้อยในสนามโน้มถ่วงของโลก ทั้งสองรุ่นของแต่ละอะตอมจะรู้สึกถึงแรงดึงที่ต่างกันเมื่อตกลงมา ชีพจรของแสงอีกอันหนึ่งจะรวมอะตอมที่แยกออกมาอีกครั้ง

ต้องขอบคุณความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของอะตอม — กฎแปลก ๆ ของฟิสิกส์ควอนตัมที่บอกว่าอะตอมสามารถทำหน้าที่เหมือนคลื่น — อะตอมที่รวมตัวกันใหม่จะรบกวนกันและกัน ( SN: 1/13/22 ) กล่าวคือเมื่อคลื่นอะตอมทับซ้อนกัน ยอดและร่องของพวกมันสามารถเสริมกำลังหรือตัดกัน ทำให้เกิดรูปแบบการรบกวน รูปแบบดังกล่าวสะท้อนให้เห็นถึงการดึงลงที่ต่างกันเล็กน้อยซึ่งรุ่นแยกของอะตอมแต่ละอะตอมรู้สึกได้เมื่อตกลงมา ซึ่งเผยให้เห็นสนามแรงโน้มถ่วงที่ตำแหน่งของเมฆอะตอม

การวัดที่แม่นยำอย่างยิ่งโดยอุปกรณ์ที่ใช้อะตอมดังกล่าวได้ช่วยทดสอบทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของไอน์สไตน์ ( SN: 10/28/20 )

 และวัดค่าคงที่พื้นฐานเช่น ค่าคงที่โน้มถ่วงของนิวตัน ( SN: 4/12/18 ) แต่เซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงแบบอะตอมมีความไวสูงต่อแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหว การจราจร และแหล่งอื่นๆ

Michael Holynski นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมในอังกฤษกล่าวว่าแม้การสั่นสะเทือนเพียงเล็กน้อยก็สร้างเสียงรบกวนได้มากพอที่คุณจะต้องวัดเป็นเวลานาน” นั่นทำให้การตรวจจับแรงโน้มถ่วงของควอนตัมไม่สามารถทำได้สำหรับการใช้งานภายนอกห้องแล็บ  

ทีมของโฮลินสกี้แก้ปัญหานั้นด้วยการสร้างเซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงที่มีอะตอมรูบิเดียมไม่เพียงแค่หนึ่งแต่สองก้อน ด้วยก้อนเมฆก้อนหนึ่งที่ลอยอยู่เหนืออีกเมตรหนึ่ง เครื่องมือนี้สามารถวัดความแรงของแรงโน้มถ่วงที่ความสูงต่างกันสองระดับในที่เดียว การเปรียบเทียบการวัดเหล่านี้ทำให้นักวิจัยสามารถยกเลิกผลกระทบของเสียงพื้นหลังได้

Holynski และเพื่อนร่วมงานได้ทดสอบว่าเซ็นเซอร์ของพวกเขาซึ่งเป็นรางล้อสูง 2 เมตรผูกติดกับรถเข็นอุปกรณ์ สามารถตรวจจับทางเดินใต้ดินในวิทยาเขตของมหาวิทยาลัยเบอร์มิงแฮมได้หรือไม่ อุโมงค์คอนกรีตขนาด 2 คูณ 2 เมตรวางอยู่ใต้ถนนระหว่างอาคารหลายชั้นสองหลัง เซ็นเซอร์ควอนตัมวัดสนามโน้มถ่วงในพื้นที่ทุกๆ 0.5 เมตรตามเส้น 8.5 เมตรที่ข้ามอุโมงค์ ข้อมูลที่อ่านได้ตรงกับการคาดการณ์ของการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งประเมินสัญญาณความโน้มถ่วงของอุโมงค์โดยพิจารณาจากโครงสร้างและปัจจัยอื่นๆ ที่อาจส่งผลต่อสนามโน้มถ่วงในพื้นที่ เช่น อาคารใกล้เคียง

จากความไวของเครื่องในการทดลองนี้ นักวิจัยประเมินว่าสามารถวัดแรงโน้มถ่วงที่เชื่อถือได้ในแต่ละตำแหน่งได้ภายในเวลาไม่ถึงสองนาที นั่นคือประมาณหนึ่งในสิบของเวลาที่จำเป็นสำหรับเซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงประเภทอื่น

ทีมงานได้สร้างเซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงรุ่นลดขนาดที่ใช้ในการทดลองตรวจจับอุโมงค์ เครื่องจักรใหม่นี้มีน้ำหนักประมาณ 15 กิโลกรัม เทียบกับสัตว์ร้าย 300 กิโลกรัมที่ใช้ในการทดสอบอุโมงค์ การอัพเกรดอื่นๆ ยังสามารถเพิ่มความเร็วของเซ็นเซอร์แรงโน้มถ่วงได้อีกด้วย