W 1935 roku, kiedy mechanika kwantowa i ogólna teoria względności Einsteina były bardzo młode, niezbyt znany radziecki fizyk Matvey Bronstein, w wieku 28 lat, przeprowadził pierwsze szczegółowe badania nad pogodzeniem tych dwóch teorii w kwantowej teorii grawitacji. To, „być może teoria całego świata”, jak pisał Bronstein, mogłoby zastąpić klasyczny opis grawitacji Einsteina, w którym jest ona postrzegana jako krzywe w kontinuum czasoprzestrzennym, i przepisać ją w języku kwantowym, jak każda inna fizyka.
Bronstein wymyślił, jak opisać grawitację za pomocą skwantyzowanych cząstek, zwanych obecnie grawitonami, ale tylko wtedy, gdy siła grawitacji jest słaba - czyli (w ogólnej teorii względności), gdy czasoprzestrzeń jest tak słabo zakrzywiona, że jest praktycznie płaska. Kiedy grawitacja jest silna, „sytuacja jest zupełnie inna” - napisał naukowiec. „Bez głębokiej rewizji klasycznych koncepcji przedstawienie kwantowej teorii grawitacji w tej dziedzinie wydaje się prawie niemożliwe”.
Jego słowa były prorocze. Osiemdziesiąt trzy lata później fizycy wciąż próbują zrozumieć, w jaki sposób krzywizna czasoprzestrzeni przejawia się w skali makroskopowej, wywodząc się z bardziej podstawowego i rzekomo kwantowego obrazu grawitacji; być może najgłębsze pytanie w fizyce. Być może, gdyby była szansa, bystra głowa Bronsteina przyspieszyłaby proces poszukiwań. Oprócz kwantowej grawitacji, wniósł także wkład do astrofizyki i kosmologii, teorii półprzewodników, elektrodynamiki kwantowej i napisał kilka książek dla dzieci. W 1938 r. Padł ofiarą stalinowskich represji i został stracony w wieku 31 lat.
Poszukiwanie pełnej teorii grawitacji kwantowej komplikuje fakt, że kwantowe właściwości grawitacji nigdy nie przejawiają się w prawdziwym doświadczeniu. Fizycy nie widzą, w jaki sposób opis Einsteina gładkiego kontinuum czasoprzestrzennego jest naruszany, ani jego kwantowe przybliżenie Bronsteina w stanie lekko zakrzywionym.
Problem tkwi w skrajnej słabości siły grawitacji. Podczas gdy skwantyzowane cząstki przenoszące silne, słabe i elektromagnetyczne siły są tak silne, że ściśle wiążą materię w atomy i można je badać dosłownie pod lupą, grawitony są tak słabe, że laboratoria nie mają szans na ich wykrycie. Aby uchwycić grawiton z dużym prawdopodobieństwem, detektor cząstek musi być tak duży i masywny, że zapada się w czarną dziurę. Ta słabość wyjaśnia, dlaczego astronomiczne akumulacje masy są potrzebne, aby wpływać na inne masywne ciała za pomocą grawitacji i dlaczego widzimy efekty grawitacyjne w ogromnych skalach.
To nie wszystko. Wszechświat wydaje się podlegać jakiejś kosmicznej cenzurze: obszary silnej grawitacji - gdzie krzywe czasoprzestrzenne są tak ostre, że równania Einsteina zawodzą, a kwantowa natura grawitacji i czasoprzestrzeni musi zostać ujawniona - zawsze chowają się za horyzontami czarnych dziur.
„Jeszcze kilka lat temu istniał ogólny konsensus, że najprawdopodobniej niemożliwe jest zmierzenie kwantyzacji pola grawitacyjnego w jakikolwiek sposób” - mówi Igor Pikovsky, fizyk teoretyk z Uniwersytetu Harvarda.
Film promocyjny:
A oto kilka ostatnich artykułów opublikowanych w Physical Review Letters, które zmieniły sytuację. W artykułach tych stwierdza się, że osiągnięcie grawitacji kwantowej może być możliwe - nawet bez wiedzy o tym. Artykuły napisane przez Sugato Bosego z University College London oraz Chiarę Marletto i Vlatko Vedral z University of Oxford proponują technicznie trudny, ale wykonalny eksperyment, który może potwierdzić, że grawitacja jest siłą kwantową, jak wszyscy inni, bez konieczności wykrywania grawitonu. Miles Blencoe, fizyk kwantowy z Dartmouth College, który nie brał udziału w tej pracy, mówi, że taki eksperyment może ujawnić wyraźny ślad niewidzialnej grawitacji kwantowej - „uśmiech kota z Cheshire”.
Proponowany eksperyment pozwoli ustalić, czy dwa obiekty - grupa Bose planuje użyć pary mikrodiamentów - zostaną mechanicznie splątane między sobą w procesie wzajemnego przyciągania grawitacyjnego. Splątanie to zjawisko kwantowe, w którym cząstki stają się nierozerwalnie splecione, dzieląc jeden fizyczny opis, który definiuje ich możliwe połączone stany. (Współistnienie różnych możliwych stanów nazywa się „superpozycją” i definiuje system kwantowy). Na przykład para splątanych cząstek może istnieć w superpozycji, w której cząstka A będzie wirować od dołu do góry z prawdopodobieństwem 50%, a B - od góry do dołu i odwrotnie z prawdopodobieństwem 50%. Nikt z góry nie wie, jaki wynik uzyskasz mierząc kierunek wirowania cząstek, ale możesz być tego pewienże będą miały to samo.
Autorzy argumentują, że dwa obiekty w proponowanym eksperymencie mogą zostać w ten sposób splątane tylko wtedy, gdy działająca między nimi siła - w tym przypadku grawitacja - jest oddziaływaniem kwantowym za pośrednictwem grawitonów, które mogą wspierać superpozycje kwantowe. „Jeśli przeprowadza się eksperyment i uzyskuje się splątanie, według artykułu można wywnioskować, że grawitacja jest kwantowana” - wyjaśnia Blenkow.
Zaplątaj diament
Grawitacja kwantowa jest tak subtelna, że niektórzy naukowcy kwestionują jej istnienie. Znany matematyk i fizyk Freeman Dyson (lat 94) od 2001 r. Argumentuje, że wszechświat może obsługiwać pewnego rodzaju „dualistyczny” opis, w którym „pole grawitacyjne opisane w ogólnej teorii względności Einsteina będzie polem czysto klasycznym bez zachowania kwantowego”. a cała materia w tym gładkim kontinuum czasoprzestrzennym zostanie skwantyzowana przez cząstki, które są zgodne z regułami prawdopodobieństwa.
Dyson, który pomógł rozwinąć elektrodynamikę kwantową (teorię interakcji między materią i światłem) i jest emerytowanym profesorem w Institute for Advanced Study w Princeton w stanie New Jersey, nie uważa, że grawitacja kwantowa jest niezbędna do opisania nieosiągalnych głębokości czarnych dziur. Uważa również, że wykrycie hipotetycznego grawitonu może być w zasadzie niemożliwe. W tym przypadku - mówi - grawitacja kwantowa będzie metafizyczna, a nie fizyczna.
Nie jest jedynym sceptykiem. Słynny angielski fizyk Sir Roger Penrose i węgierski naukowiec Lajos Diosi niezależnie założyli, że czasoprzestrzeń nie może wspierać superpozycji. Uważają, że jego gładka, solidna, zasadniczo klasyczna natura uniemożliwia mu zginanie się na dwie możliwe ścieżki jednocześnie - i to właśnie ta sztywność prowadzi do załamania się superpozycji układów kwantowych, takich jak elektrony i fotony. „Grawitacyjna dekoherencja”, ich zdaniem, pozwala zaistnieć pojedynczej, solidnej, klasycznej rzeczywistości, którą można odczuć w skali makroskopowej.
Znalezienie „uśmiechu” grawitacji kwantowej zdaje się obalać argument Dysona. Zabija również teorię dekoherencji grawitacyjnej, pokazując, że grawitacja i czasoprzestrzeń wspierają superpozycje kwantowe.
Propozycje Bose i Marletto pojawiły się jednocześnie i zupełnie przez przypadek, choć eksperci zauważają, że odzwierciedlają ducha tamtych czasów. Eksperymentalne laboratoria fizyki kwantowej na całym świecie umieszczają coraz większe mikroskopijne obiekty w superpozycji kwantowych i optymalizują protokoły testowe dla splątania dwóch systemów kwantowych. Proponowany eksperyment musiałby łączyć te procedury, jednocześnie wymagając dalszej poprawy skali i czułości; może to zająć dziesięć lat. „Ale nie ma fizycznej ślepej uliczki” - mówi Pikovsky, który również bada, w jaki sposób eksperymenty laboratoryjne mogą badać zjawiska grawitacyjne. „Myślę, że to trudne, ale nie niemożliwe”.
Plan ten został bardziej szczegółowo przedstawiony w pracach jedenastu ekspertów Bose i wsp. Ocean na różnych etapach wniosku. Na przykład w swoim laboratorium na Uniwersytecie Warwick współautor Gavin Morley pracuje nad pierwszym krokiem, próbując umieścić mikrodiament w superpozycji kwantowej w dwóch miejscach. Aby to zrobić, zamknie atom azotu w mikro-diamencie, obok pustej przestrzeni w strukturze diamentu (tak zwane centrum NV, lub wakat zastępowany azotem w diamencie) i naładuje go impulsem mikrofalowym. Elektron obracający się wokół centrum NV jednocześnie absorbuje światło, ale nie, a układ przechodzi w kwantową superpozycję dwóch kierunków spinu - w górę iw dół - jak wierzchołek, który obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara z pewnym prawdopodobieństwem i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara z pewnym prawdopodobieństwem. Mikro-diament obciążony tym spinem superpozycji jest wystawiony na działanie pola magnetycznego,co powoduje, że górna rotacja przesuwa się w lewo, a dolna rotacja w prawo. Sam diament jest podzielony na superpozycję dwóch trajektorii.
W pełnym eksperymencie naukowcy muszą to wszystko zrobić z dwoma diamentami - powiedzmy czerwonym i niebieskim - umieszczonymi obok siebie w ultrazimnej próżni. Kiedy pułapka je wyłącza, dwa mikro-diamenty, każdy w superpozycji dwóch pozycji, spadną pionowo w próżni. Gdy diamenty spadną, poczują wagę każdego z nich. Jak silne będzie ich przyciąganie grawitacyjne?
Jeśli grawitacja jest oddziaływaniem kwantowym, odpowiedź brzmi: w zależności od czego. Każdy składnik superpozycji niebieskiego diamentu będzie odczuwał silniejsze lub słabsze przyciąganie do czerwonego diamentu, w zależności od tego, czy ten ostatni znajduje się w gałęzi superpozycji, która jest bliżej, czy dalej. A grawitacja, którą odczuje każdy składnik superpozycji czerwonego diamentu, jest podobnie zależna od stanu niebieskiego diamentu.
W każdym przypadku różne stopnie przyciągania grawitacyjnego wpływają na ewoluujące składniki superpozycji diamentu. Dwa diamenty stają się współzależne, ponieważ ich stany można określić tylko w połączeniu - jeśli to oznacza, że - dlatego ostatecznie kierunki spinów dwóch układów centrów NV będą skorelowane.
Po tym, jak mikrodiamenty spadną obok siebie przez trzy sekundy - wystarczająco, aby zaplątać się w grawitację - przejdą przez inne pole magnetyczne, które ponownie wyrówna gałęzie każdej superpozycji. Ostatnim etapem eksperymentu jest protokół świadka splątania, opracowany przez duńską fizyk Barbarę Teral i innych: niebieskie i czerwone diamenty wchodzą do różnych urządzeń, które mierzą kierunki wirowania centralnych układów NV. (Pomiar prowadzi do rozpadu superpozycji w określone stany). Następnie porównuje się oba wyniki. Prowadząc eksperyment wielokrotnie i porównując wiele par pomiarów spinów, naukowcy mogą określić, czy spiny dwóch układów kwantowych były w rzeczywistości skorelowane częściej niż określenie górnej granicy obiektów, które nie są splątane mechanicznie kwantowo. W takim razie,grawitacja oplata diamenty i może utrzymać superpozycję.
„Interesujące w tym eksperymencie jest to, że nie musisz wiedzieć, czym jest teoria kwantowa” - mówi Blenkow. „Wszystko, czego potrzeba, to stwierdzić, że istnieje pewien aspekt kwantowy w tym obszarze, w którym pośredniczy siła między dwiema cząstkami”.
Istnieje wiele trudności technicznych. Największym obiektem nałożonym wcześniej w dwóch miejscach jest 800-atomowa cząsteczka. Każdy mikro-diament zawiera ponad 100 miliardów atomów węgla - wystarczającą ilość do wytworzenia namacalnej siły grawitacyjnej. Rozpakowanie jego kwantowo-mechanicznej natury będzie wymagało niskich temperatur, głębokiej próżni i precyzyjnej kontroli. „Przygotowanie początkowej superpozycji i wyzwalania wymaga dużo pracy” - mówi Peter Barker, członek zespołu eksperymentalnego, który ulepsza chłodzenie lasera i techniki wychwytywania mikro-diamentów. Gdyby można było to zrobić z jednym diamentem, dodaje Bose, „z drugim nie będzie problemu”.
Co sprawia, że grawitacja jest wyjątkowa?
Badacze grawitacji kwantowej nie mają wątpliwości, że grawitacja jest interakcją kwantową, która może powodować splątanie. Oczywiście grawitacja jest w pewnym sensie wyjątkowa i wciąż można się wiele dowiedzieć o pochodzeniu przestrzeni i czasu, ale naukowcy twierdzą, że zdecydowanie powinna być zaangażowana mechanika kwantowa. „Cóż, naprawdę, po co teoria, w której większość fizyki jest kwantowa, a grawitacja klasyczna” - mówi Daniel Harlow, badacz kwantowej grawitacji z MIT. Teoretyczne argumenty przeciwko mieszanym modelom klasyczno-kwantowym są bardzo mocne (chociaż nie są rozstrzygające).
Z drugiej strony, teoretycy wcześniej się mylili. „Jeśli możesz to sprawdzić, dlaczego nie? Gdyby uciszył tych ludzi, którzy kwestionują kwantowość grawitacji, byłoby wspaniale”- powiedział Harlow.
Po przeczytaniu artykułów Dyson napisał: „Proponowany eksperyment jest niewątpliwie bardzo interesujący i wymaga przeprowadzenia go w warunkach prawdziwego układu kwantowego”. Zauważa jednak, że kierunek myślenia autorów o polach kwantowych jest inny niż jego. „Nie jest dla mnie jasne, czy ten eksperyment będzie w stanie rozwiązać kwestię istnienia kwantowej grawitacji. Pytanie, które zadałem - czy obserwujemy oddzielny grawiton - jest innym pytaniem i może mieć inną odpowiedź”.
Sposób myślenia Bosego, Marletto i ich kolegów na temat skwantyzowanej grawitacji wywodzi się z prac Bronsteina z 1935 roku. (Dyson nazwał dzieło Bronsteina „piękną pracą”, której wcześniej nie widział). W szczególności Bronstein wykazał, że słabą grawitację generowaną przez małą masę można przybliżyć zgodnie z prawem grawitacji Newtona. (Jest to siła, która działa między superpozycjami mikrodiamentów). Według Blencoe nie przeprowadzono szczegółowych obliczeń słabej skwantyzowanej grawitacji, chociaż z pewnością są one bardziej istotne niż fizyka czarnych dziur czy Wielki Wybuch. Ma nadzieję, że nowa propozycja eksperymentalna zachęci teoretyków do poszukiwania subtelnych udoskonaleń aproksymacji Newtona, które mogą być testowane w przyszłych eksperymentach na stole.
Leonard Susskind, znany teoretyk kwantowej grawitacji i strun na Uniwersytecie Stanforda, dostrzegł wartość proponowanego eksperymentu, ponieważ „dostarcza on obserwacji grawitacji w nowym zakresie mas i odległości”. Ale on i inni badacze podkreślali, że mikrodiamenty nie mogą ujawnić niczego na temat pełnej teorii grawitacji kwantowej ani czasoprzestrzeni. On i jego koledzy chcieliby zrozumieć, co dzieje się w centrum czarnej dziury w czasie Wielkiego Wybuchu.
Być może jedną z wskazówek, dlaczego grawitacja jest o wiele trudniejsza do oszacowania niż cokolwiek innego, jest to, że inne siły natury mają tak zwaną „lokalność”: cząstki kwantowe w jednym polu (na przykład fotony w polu elektromagnetycznym) inne byty fizyczne w innym obszarze przestrzeni”- mówi Mark van Raamsdonk, teoretyk kwantowej grawitacji z University of British Columbia. „Ale istnieje wiele teoretycznych dowodów na to, że grawitacja nie działa w ten sposób”.
W najlepszych piaskowych modelach grawitacji kwantowej (z uproszczoną geometrią czasoprzestrzenną) nie można założyć, że taśma czasoprzestrzenna jest podzielona na niezależne trójwymiarowe części - mówi van Raamsdonk. Zamiast tego, współczesna teoria sugeruje, że leżące u podstaw, fundamentalne składniki przestrzeni są „raczej zorganizowane dwuwymiarowo”. Tkanina czasoprzestrzeni może przypominać hologram lub grę wideo. „Chociaż obraz jest trójwymiarowy, informacje są przechowywane na dwuwymiarowym chipie komputerowym”. W tym przypadku trójwymiarowy świat będzie iluzją w tym sensie, że jego poszczególne części nie są tak niezależne. Podobnie jak w grze wideo, kilka bitów na dwuwymiarowym chipie może zakodować globalne funkcje całego wszechświata gry.
Ta różnica ma znaczenie, gdy próbujesz stworzyć kwantową teorię grawitacji. Typowe podejście do kwantowania czegoś polega na zdefiniowaniu jego niezależnych części - na przykład cząstek - a następnie zastosowaniu do nich mechaniki kwantowej. Ale jeśli nie zidentyfikujesz właściwych składników, otrzymasz nieprawidłowe równania. Bezpośrednia kwantyzacja trójwymiarowej przestrzeni, którą chciał zrobić Bronstein, działa do pewnego stopnia przy słabej grawitacji, ale okazuje się bezużyteczna, gdy czasoprzestrzeń jest mocno zakrzywiona.
Niektórzy eksperci twierdzą, że obserwowanie „uśmiechu” grawitacji kwantowej może motywować do tego rodzaju abstrakcyjnego rozumowania. W końcu nawet najgłośniejsze teoretyczne argumenty na temat istnienia grawitacji kwantowej nie są poparte dowodami eksperymentalnymi. Kiedy van Raamsdonk wyjaśnia swoje badania podczas kolokwium naukowców, mówi, zwykle zaczyna się od wyjaśnienia, jak należy ponownie przemyśleć grawitację za pomocą mechaniki kwantowej, ponieważ klasyczny opis czasoprzestrzeni rozkłada się na czarne dziury i Wielki Wybuch.
„Ale jeśli wykonasz ten prosty eksperyment i pokażesz, że pole grawitacyjne było w superpozycji, niepowodzenie klasycznego opisu stanie się oczywiste. Ponieważ będzie eksperyment, który sugeruje, że grawitacja jest kwantowa."
Na podstawie materiałów z Quanta Magazine
Ilya Khel