Mamy wszelkie powody, by sądzić, że grawitacja jest z natury teorią kwantową. Ale jak możemy to udowodnić raz na zawsze? Mówi o tym dr Sabina Nossenfelder, fizyk teoretyczny, ekspert w dziedzinie grawitacji kwantowej i fizyki wysokich energii. Dalej od pierwszej osoby.
Jeśli masz dobry wzrok, najmniejsze obiekty, które zobaczysz, będą miały około jednej dziesiątej milimetra, czyli mniej więcej szerokość ludzkiego włosa. Dorzućmy technologię, a najmniejsza struktura, jaką do tej pory byliśmy w stanie zmierzyć, miała około 10-19 metrów, co jest długością fali zderzających się protonów w LHC. Przejście od najbardziej prymitywnego mikroskopu do budowy LHC zajęło nam 400 lat - poprawa o 15 rzędów wielkości w ciągu czterech stuleci.
Szacuje się, że kwantowe efekty grawitacji stają się istotne w skali odległości wynoszącej około 10–35 metrów, znanej jako długość Plancka. To kolejne 16 rzędów wielkości ścieżki lub kolejny współczynnik 1016 pod względem energii zderzenia. To sprawia, że zastanawiasz się, czy jest to w ogóle możliwe, czy też wszelkie wysiłki zmierzające do znalezienia kwantowej teorii grawitacji pozostaną na zawsze próżną fikcją.
Jestem optymistką. Historia nauki jest pełna ludzi, którzy uważali, że tak wiele jest niemożliwe, ale w rzeczywistości okazało się, że jest odwrotnie: mierząc odchylenie światła w polu grawitacyjnym słońca, maszyny cięższe od powietrza, wykrywające fale grawitacyjne. Dlatego nie uważam za niemożliwe eksperymentalne badanie grawitacji kwantowej. Może to zająć dziesiątki lub setki lat - ale jeśli będziemy się dalej poruszać, być może pewnego dnia będziemy w stanie zmierzyć wpływ grawitacji kwantowej. Niekoniecznie przez bezpośrednie osiągnięcie kolejnych 16 rzędów wielkości, ale raczej przez pośrednią detekcję przy niższych energiach.
Ale z niczego nic się nie rodzi. Jeśli nie pomyślimy o tym, jak mogą się manifestować skutki grawitacji kwantowej i gdzie mogą się pojawiać, na pewno nigdy ich nie znajdziemy. Mój optymizm jest podsycany rosnącym zainteresowaniem fenomenologią grawitacji kwantowej, obszarem badawczym poświęconym badaniu, jak najlepiej szukać przejawów efektów kwantowej grawitacji.
Ponieważ nie wynaleziono żadnej spójnej teorii dla grawitacji kwantowej, obecne wysiłki zmierzające do znalezienia obserwowalnych zjawisk koncentrują się na znalezieniu sposobów przetestowania ogólnych cech tej teorii, poprzez poszukiwanie właściwości, które znaleziono w różnych podejściach do grawitacji kwantowej. Na przykład kwantowe fluktuacje w czasoprzestrzeni lub obecność „minimalnej długości”, która będzie oznaczać podstawową granicę rozdzielczości. Takie efekty można określić za pomocą modeli matematycznych, a następnie oszacować siłę tych możliwych efektów i zrozumieć, które eksperymenty mogą dać najlepsze wyniki.
Testowanie grawitacji kwantowej było od dawna uważane za poza zasięgiem eksperymentów, sądząc po szacunkach, potrzebujemy zderzacza wielkości Drogi Mlecznej, aby przyspieszyć protony na tyle, aby wytworzyć mierzalną liczbę grawitonów (kwanty pola grawitacyjnego), lub potrzebujemy detektora wielkości Jowisza do pomiaru grawitonów które rodzą się wszędzie. Nie jest to niemożliwe, ale na pewno nie jest to coś, czego należy się spodziewać w najbliższej przyszłości.
Film promocyjny:
Takie argumenty dotyczą jednak tylko bezpośredniego wykrywania grawitonów i nie jest to jedyny przejaw skutków kwantowej grawitacji. Istnieje wiele innych możliwych do zaobserwowania konsekwencji, jakie może wywołać grawitacja kwantowa, z których niektórych już szukaliśmy, a innych planujemy szukać. Jak dotąd nasze wyniki są czysto negatywne. Ale nawet te negatywne są cenne, ponieważ mówią nam, jakich właściwości teoria, której potrzebujemy, może nie mieć.
Na przykład jedną z możliwych do przetestowania konsekwencji kwantowej grawitacji może być złamanie symetrii, fundamentalne dla szczególnej i ogólnej teorii względności, znane jako niezmiennik Lorentza. Co ciekawe, naruszenia niezmienniczości Lorentza niekoniecznie są małe, nawet jeśli powstają w odległościach zbyt małych, aby można je było zaobserwować. Z drugiej strony złamanie symetrii będzie przenikać reakcje wielu cząstek przy dostępnych energiach z niesamowitą precyzją. Nie znaleziono jeszcze dowodów na naruszenie niezmienności Lorentza. Może się to wydawać rzadkie, ale wiedząc, że tę symetrię należy obserwować z najwyższą dokładnością w grawitacji kwantowej, możesz wykorzystać to przy opracowywaniu teorii.
Inne możliwe do przetestowania konsekwencje mogą dotyczyć słabego pola grawitacji kwantowej. We wczesnym Wszechświecie fluktuacje kwantowe w czasoprzestrzeni powinny prowadzić do wahań temperatury pojawiających się w materii. Te wahania temperatury obserwuje się dzisiaj, odciśnięte w promieniowaniu tła (CMB). Odcisk „pierwotnych fal grawitacyjnych” na kosmicznym mikrofalowym tle nie został jeszcze zmierzony (LIGO nie jest na to dostatecznie czuły), ale oczekuje się, że będzie mieścił się w zakresie od jednego do dwóch rzędów wielkości aktualnej dokładności pomiaru. W poszukiwaniu tego sygnału pracuje wiele eksperymentalnych grup, w tym BICEP, POLARBEAR i Planck Observatory.
Innym sposobem sprawdzenia granicy słabego pola grawitacji kwantowej jest próba wprowadzenia dużych obiektów do superpozycji kwantowej: obiektów, które są znacznie cięższe niż cząstki elementarne. To wzmocni pole grawitacyjne i potencjalnie przetestuje jego kwantowe zachowanie. Najcięższe obiekty, które do tej pory udało nam się związać w superpozycję, ważą około nanograma, czyli kilka rzędów wielkości mniej, niż potrzeba do pomiaru pola grawitacyjnego. Ale ostatnio grupa naukowców w Wiedniu zaproponowała eksperymentalny schemat, który pozwoliłby nam zmierzyć pole grawitacyjne znacznie dokładniej niż wcześniej. Powoli zbliżamy się do zakresu kwantowej grawitacji.
(Należy pamiętać, że termin ten różni się w astrofizyce, gdzie „silna grawitacja” jest czasami używana w odniesieniu do czegoś innego, na przykład dużych odchyleń od grawitacji Newtona, które można znaleźć w pobliżu horyzontów zdarzeń czarnej dziury).
Silne efekty grawitacji kwantowej mogą również pozostawić ślad (inny niż efekty słabego pola) w KMPT (promieniowanie reliktowe), w szczególności w rodzaju korelacji, które można znaleźć między fluktuacjami. Istnieją różne modele kosmologii strun i kosmologii pętli kwantowych, które badają obserwowalne konsekwencje, a proponowane eksperymenty, takie jak EUCLID, PRISM, a następnie WFIRST, mogą znaleźć wczesne wskazania.
Jest jeszcze jeden ciekawy pomysł, oparty na niedawnym odkryciu teoretycznym, zgodnie z którym grawitacyjne zapadanie się materii może nie zawsze tworzyć czarną dziurę - cały układ uniknie formowania się horyzontu. Jeśli tak, pozostały obiekt da nam widok obszaru z efektami kwantowo-grawitacyjnymi. Nie jest jednak jasne, jakich sygnałów powinniśmy szukać, aby znaleźć taki obiekt, ale to obiecujący kierunek poszukiwań.
Pomysłów jest dużo. Duża klasa modeli zajmuje się możliwością, że efekty kwantowo-grawitacyjne nadają czasoprzestrzeni właściwości ośrodka. Może to prowadzić do rozpraszania światła, dwójłomności, dekoherencji lub nieprzezroczystości pustych przestrzeni. Nie możesz od razu powiedzieć o wszystkim. Ale bez wątpienia jest jeszcze wiele do zrobienia. Poszukiwanie dowodów na to, że grawitacja jest rzeczywiście siłą kwantową, już się rozpoczęło.
ILYA KHEL