Minden okunk van azt hinni, hogy a gravitáció lényegében kvantumelmélet. De hogyan tudjuk ezt egyszer és mindenkorra bizonyítani? Dr. Sabina Nossenfelder, egy elméleti fizikus, a kvantum gravitáció és a nagy energiájú fizika szakértője erről beszél. Az első embertől távolabb.
Ha jó látásod van, akkor a legkisebb látható tárgy körülbelül milliméter tized része lesz: az emberi haj szélessége körül. Add hozzá a technológiát, és a legkisebb szerkezet, amelyet eddig meg tudtunk mérni, körülbelül 10-19 méter volt, ami az LHC-n ütköző protonok hullámhossza. 400 év telt el, hogy a legeredetibb mikroszkópotól az LHC felépítéséig elinduljunk - 15 nagyságrendű javulás négy évszázad alatt.
A gravitáció kvantumhatásainak becslései körülbelül 10–35 méteres távolsági skálán relevánsak lesznek, amelyet Planck hossznak hívnak. Ez egy újabb 16 nagyságrendű út vagy egy 1016-as tényező az ütközési energia szempontjából. Ez arra készteti a kíváncsi, hogy ez egyáltalán lehetséges-e, vagy ha a gravitáció kvantumelméletének megkísérlésére tett minden erőfeszítés örökre tétlen fikció marad.
Optimista vagyok. A tudomány története tele van olyan emberekkel, akik úgy gondolták, hogy sok minden lehetetlen, de valójában fordítva kiderült: a Nap fény gravitációs mezőjében a fényhajlás mérése, a levegőnél nehezebb gépeknél, a gravitációs hullámok észlelésekor. Ezért nem gondolom lehetetlennek a kvantum gravitáció kísérleti tesztelését. Tíz vagy száz évig tarthat, de ha tovább mozdulunk, előfordulhat, hogy egy nap meg tudjuk mérni a kvantitatív gravitáció hatásait. Nem feltétlenül a következő 16 nagyságrend közvetlen elérésével, hanem közvetett észleléssel alacsonyabb energiákon.
De semmiből semmi sem születik. Ha nem gondolkodunk azon, hogy a kvantitatív gravitáció hogyan válhat ki, és hol jelenhetnek meg, akkor biztosan soha nem fogjuk megtalálni őket. Optimizmust táplálja az egyre növekvő érdeklődés a kvantitatív gravitáció fenomenológiája iránt. Ez egy olyan kutatási terület, amelynek célja a kvantum gravitációs hatások megnyilvánulásainak legjobb keresése.
Mivel egyetlen kvantitatív gravitációval sem találták ki a következetes elméletet, a megfigyelhető jelenségek felkutatására irányuló jelenlegi erőfeszítések arra koncentrálnak, hogy módszereket keressenek az elmélet általános tulajdonságainak vizsgálatára, olyan tulajdonságok keresésével, amelyeket a kvantitatív gravitáció különböző megközelítéseiben találtak meg. Például az űrtartalom kvantumingadozása vagy egy "minimális hosszúság" jelenléte, amely jelzi a felbontás alapvető határát. Az ilyen hatásokat matematikai modellek segítségével meg lehet határozni, majd meg lehet becsülni a lehetséges hatások erősségét, és megérteni, hogy mely kísérletek adhatják a legjobb eredményt.
A kvantitatív gravitáció tesztelését már hosszú ideje nem tartották a kísérletek elől, a becslések alapján úgy gondoljuk, hogy a protonok gyorsításához elegendő nagyságú, a Tejút méretű ütközőre van szükség ahhoz, hogy mérhető mennyiségű gravitont előállítsunk (a gravitációs mező kvantái), vagy a gravitonok méréséhez Jupiter méretű detektorra van szükségünk. amelyek mindenhol születnek. Nem lehetetlen, de minden bizonnyal nem olyan, amire a közeljövőben számítani kell.
Promóciós videó:
Ezek az érvek azonban csak a gravitonok közvetlen detektálására vonatkoznak, és ez nem a kvantitatív gravitáció hatásainak egyetlen megnyilvánulása. Számos más megfigyelhető következmény is létezik, amelyeket a kvantitatív gravitáció okozhat, amelyek közül néhányat már keresettünk, másoktól pedig még tervezni kívánunk. Eddig eredményeink tisztán negatívak. De még a negatívok is értékesek, mert elmondják, hogy milyen tulajdonságokkal rendelkezhet az elmélet, amelyre nincs szükségünk.
A kvantitatív gravitáció egyik tesztelhető következménye lehet például a szimmetria törése, amely alapvető fontosságú a speciális és az általános relativitáselmélet szempontjából, Lorentz invariancia néven ismert. Érdekes, hogy a Lorentz-invariancia megsértése nem feltétlenül kicsi, még akkor is, ha olyan távolságokra készítik, amely túl kicsi ahhoz, hogy megfigyelhető legyen. A szimmetria törése viszont hihetetlen pontossággal sok részecske reakcióját átengedi a rendelkezésre álló energiákon. A Lorentz invariancia-megsértéseire még nem találtak bizonyítékot. Ez tűnhet ritkának, de tudva, hogy ezt a szimmetriát a kvantitatív gravitáció legnagyobb pontosságával kell megfigyelni, felhasználhatja ezt egy elmélet kidolgozására.
Egyéb tesztelhető következmények a kvantum gravitáció gyenge mezőjén is lehetnek. A korai világegyetemben a téridő kvantumingadozásainak az anyag hőmérsékleti ingadozásainak kellett volna vezetniük. Ezeket a hőmérsékleti ingadozásokat ma megfigyeljük, a háttér sugárzásba (CMB) nyomva. Az "elsődleges gravitációs hullámok" lenyomatát a kozmikus mikrohullámú háttérre még nem mértük (a LIGO nem elég érzékeny ehhez), de várhatóan a jelenlegi mérési pontosság egy-két nagyságrendjén belül lesz. Számos kísérleti együttműködés dolgozik ezen jel keresése érdekében, köztük a BICEP, a POLARBEAR és a Planck Observatory.
A kvantitatív gravitáció gyenge mezejének határának tesztelésének egy másik módja a nagy tárgyak bevezetése a kvantum-szuperpozícióba: olyan tárgyak, amelyek sokkal nehezebbek, mint az elemi részecskék. Ez erősebbé teszi a gravitációs mezőt, és potenciálisan teszteli kvantum viselkedését. A legnehezebb tárgyak, amelyeket eddig sikerült összekapcsolnunk egy szuperpozícióval, egy nanogram körül súlya, amely több nagyságrenddel kevesebb, mint amennyire a gravitációs mező méréséhez szükséges. A közelmúltban azonban egy bécsi tudóscsoport egy kísérleti sémát javasolt, amely lehetővé tenné a korábbinál sokkal pontosabban a gravitációs mező mérését. Lassan közeledünk a kvantum gravitációs tartományhoz.
(Ne feledje, hogy ez a kifejezés különbözik az asztrofizikában, ahol az "erős gravitáció" néha valami másra utal, például a Newtoni gravitációtól való nagy eltérésekre, amelyek a fekete lyuk eseményhorizontjai közelében találhatók.)
A kvantitatív gravitáció erőteljes hatása nyomot is hagyhat (a gyenge terepi hatások kivételével) a CMB-ben (relikált sugárzás), különös tekintettel az ingadozások közötti korrelációk típusára. Különböző modellek vannak a karakterlánc kozmológiában és a kvantum hurok kozmológiában, amelyek megfigyelhető következményeket tanulmányoznak, és javasolt kísérleteket, például az EUCLID, a PRISM, majd a WFIRST korai indikációkat találhat.
Van egy másik érdekes ötlet, amely egy közelmúltbeli elméleti megállapításon alapul, miszerint az anyag gravitációs összeomlása nem mindig képez fekete lyukat - az egész rendszer elkerüli a láthatár képződését. Ha igen, akkor a fennmaradó tárgy képet ad a kvantitatív gravitációs hatásokkal rendelkező régióról. Nem világos azonban, hogy milyen jelzéseket kell keresnünk egy ilyen objektum megtalálásához, de ez ígéretes irány a keresésnek.
Sok ötlet van. A modellek nagy osztálya foglalkozik azzal a lehetőséggel, hogy a kvantitatív gravitációs hatások a téridőhöz a közeg tulajdonságaival járnak. Ez könnyű szóródáshoz, kettős töréshez, dehherenciához vagy az üres tér átlátszóságához vezethet. Nem mondhat el mindent egyszerre. De kétségtelenül még sok tennivaló van. Már megkezdődött annak bizonyítéka, hogy a gravitáció valóban kvantumerő.
ILYA KHEL