¿Cómo lidiaron los científicos que midieron las ondas gravitacionales con la incertidumbre causada por la mecánica cuántica?

Para los detectores actuales, lo calculamos y mostramos que no es un problema. Los detectores de corriente (y probablemente todos los detectores interferométricos) están limitados a alta frecuencia por el ruido de disparo al intentar contar la gran cantidad finita de fotones que circulan en los brazos del interferómetro: llegan al detector al azar como los clics de un contador Geiger . Es un tipo de ruido cuántico, pero no es una limitación fundamental en sí misma porque, en principio, siempre puede reducirlo aumentando la potencia del láser.

Sin embargo, a medida que aumenta la potencia del láser, obtiene más ruido de presión de radiación a bajas frecuencias, debido a que los fotones golpean los espejos al azar. Actualmente no nos importa porque está cubierto por otras fuentes de ruido que no podemos reducir con los conocimientos que tenemos y el dinero que nos atrevemos a pedir. ¡Pero estamos a una distancia sorprendente del cuidado!

Si llegamos al punto en el que estamos limitados simultáneamente por el ruido de disparo y el ruido de la presión de radiación, ese es el límite cuántico estándar, y será una demostración del principio de incertidumbre para los objetos cotidianos (aproximadamente 40 kg). Marcar el encendido del láser mejorará el ruido de disparo y empeorará el ruido de la presión de radiación y viceversa.

Afortunadamente, eso no es fatal para un mayor progreso porque nuestro objetivo no es medir la posición y el impulso de la masa de prueba simultáneamente, eso es exactamente lo que el esquema de lectura particular que hemos elegido es equivalente a hacer. Nuestro objetivo es simplemente detectar el efecto de las ondas gravitacionales en las masas de prueba, y al elegir un esquema de lectura más inteligente, en principio podemos dejar que todo el efecto de la onda gravitacional se acumule en una de un par de variables conjugadas y dejar que la otra vaya a infierno.

Eche un vistazo a este breve video: ondas gravitacionales descubiertas: los mejores científicos responden

El experimento depende de comparar la longitud de un brazo que recorre el eje x con la longitud de un brazo que recorre el eje y. El aparato físico es demasiado grande para exhibir una indeterminación de posición medible. Puede haber algunas diferencias entre las frecuencias de los fotones producidos por un láser. Eso es algo que podría reducirse eligiendo una mejor fuente de luz. Sin embargo, en realidad no importa, ya que solo nos interesa un fotón a la vez, y cómo ese fotón interfiere consigo mismo. Cambiar las longitudes de los dos brazos del aparato entre sí determinará las relaciones de fase entre el fotón y sí mismo, no el fotón y algún otro fotón, y de eso depende el experimento para saber si los dos brazos del Los aparatos tienen o no la misma longitud. Dado que este aparato usa un láser ordinario, realmente estamos cantando los resultados superpuestos quién sabe cuántos fotones individuales por unidad de tiempo. Cada fotón está haciendo su propia medición, por así decirlo, y con nuestros ojos vemos cuál es efectivamente la suma de todas esas mediciones individuales. Entonces, si hubiera alguna indeterminación residual que pudiéramos notar, cuando tratamos con un haz constante de fotones, efectivamente estamos obteniendo un promedio de una gran cantidad de mediciones. Si mido la altura de una puerta, podría salir por 1/4 de pulgada. Pero si un centenar de carpinteros competentes lo miden y promedian sus medidas, debe ser un valor muy confiable.

No puedo ver por qué la indeterminación de las longitudes de los instrumentos de medición tendría un efecto medible en la medición de los cambios de longitud causados ​​por el paso de una onda de gravedad. Sin embargo, suponiendo que pueda haber cierta indeterminación en la longitud medida de un detector de ondas gravitacionales, la forma más sencilla de manejar el problema sería establecer una cantidad de dispositivos independientes y promediar sus resultados. Los experimentos informados más recientemente utilizaron dos conjuntos de instrumentos muy separados entre sí. Ambos detectaron una onda de gravedad al mismo tiempo.

Miden la distancia que recorre la luz en dos caminos de ángulo recto, que pueden detectar pequeñas variaciones en el espacio-tiempo.

La distancia y, por lo tanto, la posición se pueden medir con tanta precisión como desee, limitada solo por la precisión de sus instrumentos de medición.

No hay problema con la incertidumbre a menos que intentes medir el impulso en ese mismo instante. Y los científicos de LIGO simplemente agrupan todas las incertidumbres que posiblemente puedan incluir en el lado de la ecuación que no tienen interés en medir.