I 1935, da kvantemekanikk og Einsteins generelle relativitetsteori var veldig unge, gjorde den ikke så berømte sovjetiske fysikeren Matvei Bronstein, i en alder av 28, den første detaljerte studien om forsoning av disse to teoriene i kvanteteorien om tyngdekraft. Dette, "kanskje hele verdens teori", som Bronstein skrev, kunne erstatte Einsteins klassiske tyngdekraftsbeskrivelse, der den blir sett på som kurver i romtidskontinuumet, og omskrive den i kvantespråk, som all annen fysikk.
Bronstein fant ut hvordan man skulle beskrive tyngdekraften med tanke på kvantiserte partikler, nå kalt gravitoner, men bare når tyngdekraften er svak - det vil si (generelt relativitet) når romtiden er så svakt krummet at den praktisk talt er flat. Når tyngdekraften er sterk, "er situasjonen en helt annen", skrev forskeren. "Uten en dyp revisjon av klassiske begreper virker det nesten umulig å presentere en kvanteteori om tyngdekraften på dette området."
Hans ord var profetiske. Åttitre år senere prøver fysikere fortsatt å forstå hvordan romtidskrumning manifesterer seg i en makroskopisk skala, stammet fra det mer grunnleggende og antatt kvante bilde av tyngdekraften; kanskje det dypeste spørsmålet i fysikk. Kanskje, hvis det var en sjanse, ville Bronsteins lyse hode fremskynde prosessen med dette søket. I tillegg til kvantetyngdekraften, ga han også bidrag til astrofysikk og kosmologi, halvlederteori, kvanteelektrodynamikk og skrev flere bøker for barn. I 1938 falt han under stalinistisk undertrykkelse og ble henrettet i en alder av 31 år.
Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.
Problemet ligger i den ekstreme svakheten i gravitasjonskraften. Mens kvantiserte partikler som overfører sterke, svake og elektromagnetiske krefter er så sterke at de tett binder materie i atomer og kan undersøkes bokstavelig talt under et forstørrelsesglass, er gravitoner hver for seg så svake at laboratoriene ikke har noen sjanse til å oppdage dem. For å fange et graviton med stor grad av sannsynlighet, må partikkeldetektoren være så stor og massiv at den kollapser i et svart hull. Denne svakheten forklarer hvorfor astronomiske masseopphopninger er nødvendige for å påvirke andre massive kropper gjennom tyngdekraften, og hvorfor vi ser gravitasjonseffekter på enorme skalaer.
Dette er ikke alt. Universet ser ut til å være underlagt en slags kosmisk sensur: områder med sterk tyngdekraft - der rom-tidskurvene er så skarpe at Einsteins likninger mislykkes, og den kvante naturen av tyngdekraften og rom-tiden må avsløres - gjemmer seg alltid bak horisonten til sorte hull.
"Selv for noen år siden var det en generell enighet om at det mest sannsynlig var umulig å måle kvantiseringen av gravitasjonsfeltet på noen måte," sier Igor Pikovsky, en teoretisk fysiker ved Harvard University.
Salgsfremmende video:
Og her er noen nyere artikler publisert i Physical Review Letters som har endret situasjonen. Disse papirene hevder påstanden om at det kan være mulig å komme til kvantetyngdekraften - selv uten å vite noe om det. Avisene, skrevet av Sugato Bose fra University College London og Chiara Marletto og Vlatko Vedral fra University of Oxford, foreslår et teknisk utfordrende, men gjennomførbart eksperiment som kan bekrefte at tyngdekraften er en kvantekraft som alle andre uten å kreve påvisning av graviton. Miles Blencoe, en kvantefysiker ved Dartmouth College som ikke var involvert i arbeidet, sier et slikt eksperiment kan avdekke et tydelig spor av usynlig kvantetyngdekraft - "smilet til Cheshire Cat."
Det foreslåtte eksperimentet vil avgjøre om to objekter - Bose-gruppen planlegger å bruke et par mikrodiamanter - blir kvantemekanisk sammensveiset imellom i prosessen med gjensidig gravitasjonsattraksjon. Forviklinger er et kvantefenomen der partikler blir uløselig sammenflettet, og deler en fysisk beskrivelse som definerer deres mulige kombinerte tilstander. (Sameksistensen av forskjellige mulige tilstander kalles "superposisjon" og definerer et kvantesystem). For eksempel kan et par sammenfiltrede partikler eksistere i en superposisjon, der partikkel A vil spinne fra bunn til topp med en 50% sannsynlighet, og B - fra topp til bunn, og omvendt med en 50% sannsynlighet. Ingen vet på forhånd hvilket resultat du vil få når du måler retningen på spinnet til partikler, men du kan være sikker på detat de vil ha det samme.
Forfatterne argumenterer for at to objekter i det foreslåtte eksperimentet bare kan vikles inn på denne måten hvis kraften som virker mellom dem - i dette tilfellet tyngdekraften - er en kvanteinteraksjon formidlet av gravitoner som kan støtte kvantesuperposisjoner. "Hvis et eksperiment blir utført og forvirring oppnås, i følge papiret, kan det konkluderes med at tyngdekraften kvantifiseres," forklarte Blenkow.
Forvirre diamanten
Kvantegravitasjonen er så subtil at noen forskere har stilt spørsmål ved dens eksistens. Den berømte matematikeren og fysikeren Freeman Dyson, som er 94 år gammel, har hevdet siden 2001 at universet kan støtte en slags "dualistisk" beskrivelse, der "tyngdekraftsfeltet beskrevet av Einsteins generelle relativitetsteori vil være et rent klassisk felt uten noen kvanteoppførsel." og all materie i dette glatte rom-tid kontinuum vil bli kvantifisert av partikler som overholder sannsynlighetsreglene.
Dyson, som var med på å utvikle kvanteelektrodynamikk (teorien om samspillet mellom materie og lys) og er professor emeritus ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, tror ikke at kvantetyngdekraft er nødvendig for å beskrive de uoppnåelige dybder av sorte hull. Og han mener også at det i prinsippet kan være umulig å oppdage et hypotetisk graviton. I dette tilfellet, sier han, kvantetyngdekraften vil være metafysisk, ikke fysisk.
Han er ikke den eneste skeptikeren. Den berømte engelske fysikeren Sir Roger Penrose og den ungarske forskeren Lajos Diosi antok uavhengig av at romtid ikke kunne støtte superposisjon. De mener at dens glatte, solide, fundamentalt klassiske natur forhindrer den i å bøye seg i to mulige veier samtidig - og det er denne stivheten som fører til kollaps av superposisjoner av kvantesystemer som elektroner og fotoner. “Gravitasjonsdekoherens” lar etter deres mening en enkelt, solid, klassisk virkelighet skje, som kan kjennes på en makroskopisk skala.
Å finne et “smil” med kvantetyngdekraften ser ut til å tilbakevise Dysons argument. Det dreper også teorien om gravitasjonsdekoherens ved å vise at tyngdekraft og romtid støtter kvantesuperposisjoner.
Bose og Marlettos forslag dukket opp samtidig og helt ved en tilfeldighet, selv om eksperter bemerker at de gjenspeiler tidsånden. Eksperimentelle kvantefysikklaboratorier over hele verden legger stadig større mikroskopiske objekter i kvanteoverposisjoner og optimaliserer testprotokoller for sammenfiltring av to kvantesystemer. Det foreslåtte eksperimentet vil trenge å kombinere disse prosedyrene, mens det krever ytterligere forbedringer i skala og følsomhet; det kan ta ti år. "Men det er ingen fysisk blindvei," sier Pikovsky, som også undersøker hvordan laboratorieeksperimenter kan undersøke gravitasjonsfenomener. "Jeg synes det er vanskelig, men ikke umulig."
Denne planen er nærmere beskrevet i arbeidet til Bose et al. Ocean's elleve eksperter for forskjellige faser av forslaget. For eksempel, i sitt laboratorium ved University of Warwick, jobber medforfatter Gavin Morley på den første scenen, og prøver å plassere et mikrodiamond i en kvantesuperposisjon to steder. For å gjøre dette vil han omslutte et nitrogenatom i en mikrodiamant, ved siden av en ledig stilling i diamantstrukturen (det såkalte NV-senteret, eller en nitrogen-substituert ledighet i en diamant), og lade den med en mikrobølgepuls. Et elektron som roterer rundt NV-senteret absorberer samtidig lys og gjør det ikke, og systemet går inn i en kvantesuperposisjon av to spinnretninger - opp og ned - som en topp som roterer med klokken med en viss sannsynlighet og mot klokken med en viss sannsynlighet. En mikrodiamant lastet med dette superposisjonsspinnet er utsatt for et magnetfelt,som gjør at toppspinnet beveger seg til venstre og det nederste spinnet til høyre. Selve diamanten er delt opp i en superposisjon av to bane.
I et fullstendig eksperiment må forskere gjøre alt dette med to diamanter - rød og blå, si - plassert side om side i et ultralydvakuum. Når fellen som holder dem slås av, vil to mikrodiamanter, hver i en superposisjon av to posisjoner, falle loddrett i et vakuum. Når diamantene faller, vil de føle tyngdekraften til hver av dem. Hvor sterk vil tyngdekraften deres være?
Hvis tyngdekraften er en kvanteinteraksjon, er svaret: avhengig av hva. Hver komponent i superposisjonen til en blå diamant vil oppleve en sterkere eller svakere tiltrekning til den røde diamanten, avhengig av om sistnevnte befinner seg i superposisjonsgrenen som er nærmere eller lenger unna. Og tyngdekraften som hver komponent i superposisjonen til en rød diamant vil føle, er på samme måte avhengig av tilstanden til den blå diamanten.
I begge tilfeller påvirker forskjellige grader av gravitasjonsattraksjon de utviklende komponentene i diamantsuperposisjoner. To diamanter blir avhengige av hverandre fordi deres stater bare kan bestemmes i kombinasjon - hvis dette betyr at - til slutt, vil retningene for spinnene til de to systemene til NV-sentre korrelere.
Etter at mikrodiamondene faller side om side i tre sekunder - nok til å bli innviklet i tyngdekraften - vil de passere gjennom et annet magnetfelt, som igjen vil innrette grenene til hver superposisjon. Det siste trinnet i eksperimentet er forviklingens vitneprotokoll, utviklet av den danske fysikeren Barbara Teral og andre: blå og røde diamanter kommer inn i forskjellige enheter som måler spinnretningene til NV sentrumssystemer. (Måling fører til kollaps av superposisjoner til visse tilstander). Da blir de to resultatene sammenlignet. Ved å kjøre eksperimentet om og om igjen og sammenligne flere par spinnmålinger, kan forskere bestemme om spinnene til to kvantesystemer faktisk var korrelert oftere enn å definere en øvre grense for objekter som ikke er kvantemekanisk innviklet. I så fall,tyngdekraften forvirrer diamanter og kan opprettholde superposisjonen.
"Det interessante med dette eksperimentet er at du ikke trenger å vite hva kvanteteori er," sier Blenkow. "Alt som trengs er å hevde at det er noen kvanteaspekter i dette området som er formidlet av kraften mellom de to partiklene."
Det er mange tekniske vanskeligheter. Den største gjenstanden som har blitt lagt to steder før, er et 800-atom-molekyl. Hver mikrodiamant inneholder over 100 milliarder karbonatomer - nok til å bygge opp en konkret gravitasjonskraft. Å pakke ut sin kvantemekaniske natur vil kreve lave temperaturer, dypt vakuum og presis kontroll. "Det er mye arbeid som er involvert i å sette opp den første superposisjonen og utløse," sier Peter Barker, medlem av et eksperimentelt team som forbedrer laserkjøling og mikro-diamantfangstteknikker. Hvis det kan gjøres med en diamant, legger Bose til, "den andre vil ikke være et problem."
Hva gjør tyngdekraften unik?
Kvantetyngdeforskere er ikke i tvil om at tyngdekraften er en kvanteinteraksjon som kan forårsake sammenfiltring. Selvfølgelig er tyngdekraften noe unik, og det er fortsatt mye å lære om opprinnelsen til rom og tid, men kvantemekanikk bør absolutt være involvert, sier forskere. "Vel, egentlig, hva er poenget i en teori der det meste av fysikk er kvante og tyngdekraft er klassisk," sier Daniel Harlow, en kvantegravitasjonsforsker ved MIT. De teoretiske argumentene mot blandede kvanteklassiske modeller er veldig sterke (men ikke avgjørende).
Derimot har teoretikere tatt feil før. “Hvis du kan sjekke, hvorfor ikke? Hvis det demper disse menneskene som stiller spørsmål ved tyngdekraften, ville det være flott,”sa Harlow.
Etter å ha lest avisene skrev Dyson: "Det foreslåtte eksperimentet er utvilsomt av stor interesse og krever gjennomføring under betingelsene for et reelt kvantesystem." Han bemerker imidlertid at forfatterens tankeretning om kvantefelt er forskjellig fra hans. “Det er ikke klart for meg om dette eksperimentet vil kunne løse spørsmålet om eksistensen av kvantetyngdekraft. Spørsmålet jeg stilte - om vi observerer et eget graviton - er et annet spørsmål, og det kan ha et annet svar."
Tanken over Bose, Marletto og deres kolleger om kvantifisert tyngdekraft stammer fra Bronsteins arbeid allerede i 1935. (Dyson kalte Bronsteins verk "vakkert arbeid" som han ikke hadde sett før). Spesielt viste Bronstein at svak tyngdekraft generert av lav masse kan tilnærmes ved Newtons gravitasjonslov. (Dette er kraften som virker mellom superposisjoner av mikrodiamanter). I følge Blencoe er beregninger av svak kvantisert tyngdekraft ikke blitt utført spesielt, selv om de absolutt er mer relevante enn fysikken til svarte hull eller Big Bang. Han håper at det nye eksperimentelle forslaget vil oppmuntre teoretikere til å søke etter subtile forbedringer til den newtonske tilnærmingen, som fremtidige bordeksperimenter kan prøve å teste.
Leonard Susskind, en kjent kvantetyngdekraft og strengteoretiker ved Stanford University, så verdien av det foreslåtte eksperimentet fordi "det gir observasjoner av tyngdekraften i et nytt spekter av masser og avstander." Men han og andre forskere la vekt på at mikrodiamanter ikke kan avsløre noe om en fullstendig teori om kvantetyngdekraft eller romtid. Han og kollegene vil gjerne forstå hva som skjer i sentrum av et svart hull og på tidspunktet for Big Bang.
Kanskje en av ledetrådene til hvorfor tyngdekraften er så mye vanskeligere å kvantifisere enn noe annet, er at andre krefter i naturen er såkalt "lokalitet": kvantepartikler i ett område av feltet (fotoner i et elektromagnetisk felt, for eksempel) er "uavhengig av andre fysiske enheter i et annet område, "sier Mark van Raamsdonk, en teoretiker for kvantetyngdekraft ved University of British Columbia. "Men det er mye teoretisk bevis på at tyngdekraften ikke fungerer slik."
I de beste sandmodellene for kvantetyngdekraft (med forenklede romtidsgeometrier) er det umulig å anta at det båndlignende romtidsstoffet deles opp i uavhengige tredimensjonale stykker, sier van Raamsdonk. I stedet antyder moderne teori at de underliggende, grunnleggende bestanddelene i rommet er "ganske todimensjonalt organisert." Stoffet fra romtid kan være som et hologram eller et videospill. "Selv om bildet er tredimensjonalt, lagres informasjonen på en todimensjonal databrikke." I dette tilfellet vil den tredimensjonale verden være en illusjon i den forstand at dens forskjellige deler ikke er så uavhengige. I likhet med et videospill kan noen få biter på en todimensjonal brikke kode for de globale funksjonene i hele spilluniverset.
Og denne forskjellen betyr noe når du prøver å lage en kvanteteori om tyngdekraften. Den vanlige tilnærmingen for å kvantifisere noe er å definere dets uavhengige deler - for eksempel partikler - og deretter anvende kvantemekanikk på dem. Men hvis du ikke identifiserer de riktige bestanddelene, ender du opp med feil ligninger. Den direkte kvantiseringen av tredimensjonalt rom som Bronstein ønsket å gjøre fungerer til en viss grad med svak tyngdekraft, men viser seg å være ubrukelig når romtiden er svært buet.
Noen eksperter sier at det å vitne om “smilet” til kvantetyngdekraften kan motivere denne typen abstrakte resonnementer. Selv de høyeste teoretiske argumentene om eksistensen av kvantetyngdekraft støttes ikke av eksperimentelle bevis. Når van Raamsdonk forklarer forskningen sin i et kollokvium av forskere, sier han, begynner det vanligvis med å fortelle hvordan tyngdekraften må tenkes nytt med kvantemekanikk fordi den klassiske beskrivelsen av romtid bryter sammen ved sorte hull og Big Bang.
“Men hvis du gjør dette enkle eksperimentet og viser at gravitasjonsfeltet var i superposisjon, blir svikt i den klassiske beskrivelsen åpenbar. Fordi det vil være et eksperiment som innebærer at tyngdekraften er kvant."
Basert på materiale fra Quanta Magazine
Ilya Khel