Vi har all grunn til å tro at tyngdekraften iboende er en kvanteteori. Men hvordan kan vi bevise dette en gang for alle? Dr. Sabina Nossenfelder, en teoretisk fysiker, en ekspert på kvantetyngdekraft og høyenergifysikk, snakker om dette. Videre fra første person.
Hvis du har godt syn, vil de minste gjenstandene du kan se være omtrent en tidels millimeter: omtrent bredden på et menneskehår. Legg til teknologi, og den minste strukturen som vi hittil har kunnet måle, var omtrent 10-19 meter, som er bølgelengden til protoner som kolliderer ved LHC. Det tok oss 400 år å gå fra det mest primitive mikroskopet til konstruksjonen av LHC - en forbedring av 15 størrelsesordener over fire århundrer.
Kvanteeffektene av tyngdekraften anslås å bli relevante ved avstandsskalaer på omtrent 10-35 meter, kjent som Planck-lengden. Dette er ytterligere 16 størrelsesordener eller en annen faktor på 1016 når det gjelder kollisjonenergi. Dette får deg til å lure på om dette i det hele tatt er mulig, eller om alle anstrengelser for å prøve å finne en kvanteteori om tyngdekraft for alltid vil forbli inaktiv fiksjon.
Jeg er optimist. Vitenskapens historie er full av mennesker som trodde at mye var umulig, men i virkeligheten viste det seg å være omvendt: å måle lysets bøyning i tyngdefeltet til solen, maskiner som er tyngre enn luft, og oppdaget tyngdekraftsbølger. Derfor anser jeg det ikke som umulig å eksperimentelt teste kvantetyngdekraft. Det kan ta flere titalls eller hundrevis av år - men hvis vi fortsetter å bevege oss, kan vi kanskje en dag kunne måle effekten av kvantetyngdekraften. Ikke nødvendigvis ved direkte å nå de neste 16 størrelsesordenene, men heller ved indirekte deteksjon ved lavere energier.
Men ut av ingenting blir ingenting født. Hvis vi ikke tenker på hvordan virkningene av kvantetyngdekraften kan manifestere seg og hvor de kan vises, vil vi definitivt aldri finne dem. Optimismen min er drevet av en økende interesse for fenomenologien kvantetyngdekraft, et forskningsområde viet til studiet av hvordan man best kan se etter manifestasjoner av kvantetyngdekrafteffekter.
Siden ingen konsistent teori er blitt oppfunnet for kvantetyngdekraft, fokuserer nåværende forsøk på å finne observerbare fenomener på å finne måter å teste de generelle trekkene ved teorien ved å se etter egenskaper som er funnet i noen forskjellige tilnærminger til kvantetyngdekraften. For eksempel kvantumsvingninger i romtid, eller tilstedeværelsen av en "minimum lengde" som vil markere den grunnleggende oppløsningsgrensen. Slike effekter kan bestemmes ved bruk av matematiske modeller, og da kan styrken til disse mulige effektene evalueres og for å forstå hvilke eksperimenter som kan gi de beste resultatene.
Testing av kvantetyngdekraften har lenge vært vurdert utenfor rekkevidde av eksperimenter, bedømt etter estimater, vi trenger en kollider på størrelse med Melkeveien for å akselerere protoner nok til å produsere en målbar mengde gravitoner (kvanta av tyngdekraftsfeltet), eller vi trenger en detektor på størrelse med Jupiter til å måle gravitoner som er født overalt. Ikke umulig, men absolutt ikke noe som bør forventes i nær fremtid.
Salgsfremmende video:
Slike argumenter gjelder imidlertid bare direkte påvisning av gravitoner, og dette er ikke den eneste manifestasjonen av virkningene av kvantetyngdekraften. Det er mange andre observerbare konsekvenser som kvantetyngdekraften kan gi, hvorav noen vi allerede har sett etter og noen som vi planlegger å se etter. Så langt er resultatene rent negative. Men selv negative er verdifulle, fordi de forteller oss hvilke egenskaper teorien vi trenger ikke har.
En testbar konsekvens av kvantetyngdekraften, for eksempel, kan være symmetribryting, grunnleggende for spesiell og generell relativitet, kjent som Lorentz invariance. Interessant nok er bruddene på Lorentz invariance ikke nødvendigvis små, selv om de er opprettet på avstander som er for små til å kunne observeres. Symmetri som bryter, derimot, vil sive gjennom reaksjonene fra mange partikler ved tilgjengelige energier med utrolig presisjon. Ingen bevis for brudd på Lorentz invariance har ennå blitt funnet. Det kan virke sparsomt, men når du vet at denne symmetrien må observeres med den høyeste grad av nøyaktighet i kvantetyngdekraften, kan du bruke dette til å utvikle en teori.
Andre testbare konsekvenser kan være innenfor det svake feltet av kvantetyngdekraften. I det tidlige universet burde kvantumsvingninger i romtid ha ført til temperatursvingninger som oppsto i materien. Disse temperatursvingningene observeres i dag, og er innprentet i bakgrunnsstrålingen (CMB). Avtrykket av "primære gravitasjonsbølger" på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen har ennå ikke blitt målt (LIGO er ikke følsom nok for det), men det forventes å være innen ett til to størrelsesordener av den nåværende målenøyaktigheten. Mange eksperimentelle samarbeid jobber for å søke etter dette signalet, inkludert BICEP, POLARBEAR og Planck Observatory.
En annen måte å teste grensen for det svake feltet for kvantetyngdekraft er å prøve å introdusere store objekter i en kvanteoverposisjon: objekter som er mye tyngre enn elementære partikler. Dette vil gjøre tyngdekraftsfeltet sterkere og potensielt teste sin kvanteoppførsel. De tyngste gjenstandene som vi hittil har klart å knytte til en superposisjon, veier omtrent et nanogram, som er flere størrelsesordener mindre enn det tar å måle tyngdefeltet. Men nylig foreslo en gruppe forskere i Wien et eksperimentelt opplegg som ville tillate oss å måle tyngdefeltet mye mer nøyaktig enn før. Vi nærmer oss sakte kvantegravitasjonsområdet.
De sterke effektene av kvantetyngdekraften kan også etterlate seg et avtrykk (annet enn svake felteffekter) i CMB (reliksjonsstråling), spesielt i den type korrelasjoner som kan finnes mellom svingninger. Det er forskjellige modeller av strengkosmologi og kvanteløkkekosmologi som studerer observerbare konsekvenser, og foreslåtte eksperimenter som EUCLID, PRISM, og deretter WFIRST kan finne tidlige indikasjoner.
Det er en annen interessant idé, basert på et nylig teoretisk funn, hvorefter materiens gravitasjonskollaps ikke alltid danner et svart hull - hele systemet vil unngå dannelse av horisonten. I så fall vil det gjenværende objektet gi oss et syn på regionen med kvante gravitasjonseffekter. Det er imidlertid ikke klart hvilke signaler vi bør se etter for å finne et slikt objekt, men dette er en lovende retningsretning.
Det er mange ideer. En stor klasse modeller tar for seg muligheten for at kvantetyngdepåvirkning gir romtid med egenskapene til et medium. Dette kan føre til lysdispersjon, dobbeltbrytning, decoherence eller tomrom i rommet. Du kan ikke fortelle om alt på en gang. Men uten tvil er det fremdeles mye som skal gjøres. Letingen etter bevis for at tyngdekraften virkelig er en kvantekraft har allerede begynt.
ILYA KHEL
