[논문 리뷰] Conceptual tensions between quantum mechanics and general relativity: Are there experimental consequences, e.g., superconducting transducers between electromagnetic and gravitational radiation?

R. Y. Chiao|ArXiv.org|2002. 08. 09.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 3인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양자 비국소성과 일반 상대성 이론의 국소성 간의 개념적 긴장이 초유체, 초전도체, 원자 보즈-아인슈타인 응축체와 같은 거시적 양자 유체가 중력파 수신기로 작용할 수 있음을 제안한다. 초전도체에서 레인스-티르링 필드가 메이스너 효과 유사한 방식으로 밀려나가는 것을 예측하며, 임피던스 매칭을 통한 전환 효율이 근본적으로 1에 가까운 것으로 나타나, 초전도체가 전자기파와 중력파를 상호 변환할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

One of the conceptual tensions between quantum mechanics (QM) and general relativity (GR) arises from the clash between the spatial nonseparability of entangled states in QM, and the complete spatial separability of all physical systems in GR, i.e., between the nonlocality implied by the superposition principle, and the locality implied by the equivalence principle. Experimental consequences of this conceptual tension will be explored for macroscopically coherent quantum fluids, such as superconductors, superfluids, and atomic Bose-Einstein condensates (BECs), subjected to tidal and Lense-Thirring fields arising from gravitational radiation. A Meissner-like effect is predicted, in which the Lense-Thirring field is expelled from the bulk of a quantum fluid. Superconductors are predicted to be macroscopic quantum gravitational antennas and transducers, which can directly convert upon reflection a beam of quadrupolar electromagnetic radiation into gravitational radiation, and vice versa, and thus serve as both sources and receivers of gravitational waves. An estimate of the transducer conversion efficiency on the order of unity comes out of the Ginzburg-Landau theory for an extreme type II, dissipationless superconductor with minimal coupling to weak gravitational and electromagnetic radiation fields, whose frequency is smaller than the BCS gap frequency, thus satisfying the quantum adiabatic theorem. The concept of ``the impedance of free space for gravitational plane waves'' is introduced, and leads to a natural impedance-matching process, in which the two kinds of radiation fields are impedance-matched to each other around a hundred coherence lengths beneath the surface of the superconductor. A simple, Hertz-like experiment has been performed to test these ideas, and preliminary results will be reported.

연구 동기 및 목표

• 양자 비국소성과 일반 상대성 이론의 국소성 간 개념적 긴장의 실험적 결과를 탐색하기 위해.
• 초전도체와 BEC와 같은 거시적 양자 유체가 전자기파와 중력파 사이에서 수신기로 작용할 수 있는지 조사하기 위해.
• 초전도체가 양자 양자역학적 위상 일관성에 의해 레인스-티르링 필드를 밀어내는 메이스너 효과 유사 현상을 보이는가의 가설을 시험하기 위해.
• 초전도체 재료에서 중력파 수신을 탐지하기 위한 허츠 유사 실험을 제안하기 위해.
• 긴즈부르크-랜다우 이론과 양자 등온 조건을 사용하여 중력파 임피던스 매칭을 위한 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 긴즈부르크-랜다우 방정식를 만족하는 거시적 파동함수를 가진 초전도체와 BEC를 양자 유체로 모델링하기 위해.
• 초전도체에서 중력자기장의 밀려남에 대한 특성 길이 척도로 룬던 침투 깊이 λL을 적용하기 위해.
• 극도로 강한 타입-II, 손실이 없는 초전도체의 긴즈부르크-랜다우 이론을 사용하여 약한 필드, 저주파수 복사 조건 하에서 전환 효율을 유도하기 위해.
• 전자기파와 중력파 필드 간의 임피던스 매칭을 가능하게 하기 위해 '중력파 임피던스' 개념을 도입하기 위해.
• 원자 BEC의 중력자기 감수도 χGM을 유도하여, 이 값이 매우 크고 음수임을 보여주어, 뉴턴의 만유인력 상수 G에 독립적인 강력한 양자 소스 항을 나타냄을 보여주기 위해.
• 중력자기장에 대한 헬름홀츠 유사 및 유크라 유사 방정식의 해를 비교하여, 감쇠(메이스너) 필드와 전파되는 필드를 구분하는 조건을 결정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초전도체가 전자기파를 중력파로, 그 반대로도 변환하는 수신기로 작용할 수 있는가?
• RQ2 멀리 떨어진 물체에서 기인한 레인스-티르링 필드가 초전도체나 초유체 양자 유체에서 전자기 유사 메이스너 효과와 유사하게 밀려나는가?
• RQ3 양자 등온 조건 하에서 거시적 양자 시스템에서 중력파 수신의 이론적 효율은 얼마인가?
• RQ4 BEC의 중력자기 감수도가 뉴턴의 만유인력 상수 G에 독립적으로 중력장에 비고전적 소스 항을 유도하는 방식은 어떻게 되는가?
• RQ5 초유체 허스-페어뱅크 효과는 양자 중력 메이스너 효과에 대한 증거로 해석될 수 있는가?

주요 결과

• 초전도체에서 레인스-티르링 필드에 대해 메이스너 효과 유사 현상이 예측되며, 이는 룬던 침투 깊이 λL 범위 내에서 필드가 밀려나는 것으로 나타나 전자기 메이스너 효과와 유사하다.
• 원자 보즈-아인슈타인 응축체의 경우, 룬던 침투 깊이는 λL = (8πn̄a)−1/2 로 주어지며, 여기서 n̄는 원자 밀도이고 a는 s파 산란 길이다.
• BEC의 중력자기 감수도는 χGM ≈ −3×10^42로 추정되며, 이는 G에 독립적인 강력한 양자 소스 항을 나타내어 중력장에 기여한다.
• 긴즈부르크-랜다우 이론과 양자 등온 조건에 기반하여, 초전도체에서 전자기파와 중력파 간의 전환 효율은 근본적으로 1에 가까운 것으로 추정된다.
• 전자기파와 중력파 간의 임피던스 매칭은 초전도체 표면 이하 약 100 개의 양자 양자역학적 연속성 길이의 깊이에서 발생하며, 이는 효율적인 에너지 전달을 가능하게 한다.
• 메이스너 효과 유사 현상이 없을 경우, 헬름홀츠 유사 방정식이 도출되어 삼각함수 해를 가지며, 이는 양자역학적 단일값 조건 위반과 초유체에서의 소용돌이 없는 조건 위반을 초래한다.