1935-ben, amikor a kvantummechanika és az Einstein általános relativitáselmélete nagyon fiatal volt, a nem híres szovjet fizikus, Matvei Bronstein 28 éves korában elkészítette az első részletes tanulmányt e két elmélet összeegyeztetéséről a gravitációs kvantumelméletben. Ez a "talán az egész világ elmélete", ahogyan Bronstein írta, ki tudja cserélni Einstein gravitáció klasszikus leírását, amelyben a tér-idő kontinuum görbéinek tekintik, és kvantum nyelven újraírni, mint minden más fizika.
Bronstein kitalálta, hogyan lehet leírni a gravitációt kvantált részecskék szerint, amelyeket most gravitonoknak neveznek, de csak akkor, ha a gravitációs erő gyenge - vagyis (általában az relativitáselmélet), amikor a téridő annyira gyengén görbe, hogy gyakorlatilag sima. Ha erős a gravitáció, "a helyzet teljesen más" - írta a tudós. "A klasszikus fogalmak mélyreható felülvizsgálata nélkül szinte lehetetlennek tűnik a gravitáció kvantumelméletének bemutatása ezen a területen is."
Szavai próféták voltak. Nyolcvanhárom évvel később a fizikusok még mindig megpróbálják megérteni, hogy az űrtartalom miként mutatkozik meg makroszkopikus skálán, a gravitáció alapvető és állítólag kvantitatív képéből fakadva; talán a legmélyebb kérdés a fizikában. Talán ha lenne esély, Bronstein fényes feje felgyorsítaná a keresés folyamatát. A kvantitatív gravitáció mellett hozzájárult az asztrofizikához és a kozmológiához, a félvezető elmélethez, a kvantum-elektrodinamikához, és több könyvet írt gyermekeknek. 1938-ban sztálinista elnyomás alá került, és 31 éves korában kivégezték.
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.
A probléma a gravitációs erő szélsőséges gyengeségében rejlik. Míg az kvantált részecskék, amelyek erős, gyenge és elektromágneses erőt közvetítenek, olyan erősek, hogy szorosan megkötik az anyagot atomokba, és szó szerint megvizsgálhatók egy nagyító alatt, addig a gravitonok külön-külön annyira gyengék, hogy a laboratóriumoknak nincs esélyük észlelni őket. A nagy valószínűségű graviton elfogásához a részecskedetektornak olyan nagynak és hatalmasnak kell lennie, hogy fekete lyukba essen. Ez a gyengeség magyarázza, hogy miért van szükség csillagászati tömeggyűjtésekre, hogy más masszív testeket gravitáción keresztül befolyásolja, és miért látunk gravitációs hatásokat hatalmas skálán.
Ez nem minden. Úgy tűnik, hogy az univerzum valamilyen kozmikus cenzúrának van kitéve: az erős gravitációs területek - ahol a tér-idő görbék annyira élesek, hogy Einstein egyenletei meghiúsulnak, és a gravitáció és a téridő kvantum jellegét nyilvánosságra kell hozni - mindig a fekete lyukak horizontja mögött rejtőznek.
„Néhány évvel ezelőtt még általános volt az egyetértés abban, hogy valószínűleg lehetetlen mérni a gravitációs mező kvantálását” - mondja Igor Pikovsky, a Harvard Egyetem elméleti fizikusa.
Promóciós videó:
És itt van néhány, a Physical Review Lettersben közzétett, a helyzetet megváltoztató cikk. Ezek az iratok azt állítják, hogy lehetséges a kvantitatív gravitáció elérése - még anélkül, hogy bármit is tudnánk róla. A Sugato Bose, a University College London, valamint Chiara Marletto és Vlatko Vedral, az Oxfordi Egyetemen írt tanulmányok technikailag kifinomult, de megvalósítható kísérletet kínálnak, amely megerősítheti, hogy a gravitáció kvantumerő, mint mindenki más, anélkül, hogy a gravitont fel kellene detektálni. Miles Blencoe, a Dartmouth College kvantumfizikusa, aki nem vett részt a munkában, azt mondja, hogy egy ilyen kísérlet a láthatatlan kvantum gravitáció egyértelmű nyomát fedezheti fel - a "Cheshire Cat mosoly".
A javasolt kísérlet meg fogja határozni, hogy két objektum - a Bose-csoport mikroszkóp-pár használatát tervezi - kvantummechanikailag összefonódik egymással a kölcsönös gravitációs vonzás folyamatában. Az összefonódás egy kvantum jelenség, amelyben a részecskék elválaszthatatlanul összefonódnak, és egyetlen fizikai leírással rendelkeznek, amely meghatározza lehetséges kombinált állapotukat. (A különböző lehetséges állapotok együttélését "szuperpozíciónak" nevezzük, és meghatározza a kvantumrendszert). Például egy összefonódott részecskepár létezhet egy szuperpozícióban, amelyben az A részecske alulról felfelé forog 50% valószínűséggel, B pedig - fentről lefelé, és fordítva 50% valószínűséggel. Senki sem tudja előre, hogy milyen eredményt fog elérni a részecskék spin irányának mérésekor, de biztos lehet bennehogy nekik ugyanaz lesz.
A szerzők azzal érvelnek, hogy a javasolt kísérlet két tárgya ilyen módon összezavaródhat, ha a köztük lévő erő - ebben az esetben a gravitáció - egy gravitonok által közvetített kvantum kölcsönhatás, amely képes támogatni a kvantum szuperpozíciókat. "Ha egy kísérletet hajtunk végre, és belekapaszkodunk a papírba, akkor arra lehet következtetni, hogy a gravitáció kvantitatív" - magyarázta Blenkow.
Kapcsolja össze a gyémántot
A kvantum gravitáció annyira finom, hogy egyes tudósok megkérdőjelezték annak létezését. A híres matematikus és fizikus, Freeman Dyson, aki 94 éves, 2001 óta azt állította, hogy az univerzum támogathat egyfajta "dualista" leírást, amelyben "az Einstein általános relativitáselmélete által leírt gravitációs mező tisztán klasszikus mező lesz, kvantum viselkedés nélkül". és ebben a sima tér-idő kontinuumban az összes anyagot a részecskék kvantálják, amelyek betartják a valószínűség szabályait.
Dyson, aki elősegítette a kvantum-elektrodinamika (az anyag és a fény kölcsönhatásának elmélete) kifejlesztését és a New Jersey-i Princetonban lévő Advanced Study Institute emeritus professzora, nem hiszi, hogy a kvantum gravitációra van szükség a fekete lyukak elérhetetlen mélységének leírására. Úgy gondolja továbbá, hogy elvileg lehetetlen lehet egy hipotetikus graviton kimutatása. Ebben az esetben, mondja, a kvantum gravitáció metafizikai, nem pedig fizikai lesz.
Ő nem az egyetlen szkeptikus. A híres angol fizikus, Sir Roger Penrose és Diosi Lajos magyar tudós függetlenül feltételezte, hogy a téridő nem támogatja a szuperpozíciót. Úgy vélik, hogy sima, szilárd, alapvetően klasszikus jellege megakadályozza, hogy egyidejűleg két lehetséges pályára hajljon - és éppen ez a merevség vezet a kvantumrendszerek, például elektronok és fotonok szuperpozícióinak összeomlásához. A „gravitációs dekoráció” véleményük szerint lehetővé teszi egy egységes, szilárd, klasszikus valóság megtörténtét, amely makroszkopikus léptékben is érezhető.
Úgy tűnik, hogy a kvantitatív gravitáció „mosolyát” megcáfolják Dyson érvelését. Megöli a gravitációs elválasztás elméletét is azzal, hogy megmutatja, hogy a gravitáció és a téridő támogatja a kvantum-szuperpozíciókat.
Bose és Marletto javaslatai egyszerre és teljesen véletlenül jelentek meg, bár a szakértők megjegyzik, hogy azok tükrözik az idők szellemét. Kísérleti kvantumfizikai laboratóriumok szerte a világon egyre nagyobb mikroszkopikus tárgyakat helyeznek kvantum-szuperpozíciókba, és optimalizálják a két kvantumrendszer összefonódásához szükséges vizsgálati protokollokat. A javasolt kísérletnek ezeket az eljárásokat kell kombinálnia, miközben további javításokat igényel a méretarány és az érzékenység szempontjából; tíz évbe telhet. "De nincs fizikai zsákutca" - mondja Pikovsky, aki azt is megvizsgálja, hogy a laboratóriumi kísérletek hogyan vizsgálhatják a gravitációs jelenségeket. "Azt hiszem, nehéz, de nem lehetetlen."
Ezt a tervet Bose és munkatársai, az Ocean tizenegy szakértőjének a javaslat különféle szakaszaiban végzett munkája részletesebben ismerteti. Például, a Warwicki Egyetem laboratóriumában, Gavin Morley társszerzője az első szakaszban dolgozik, és megpróbál egy mikrotémánt kvantum-szuperpozícióba tenni két helyre. Ehhez beilleszti a nitrogénatomot egy mikro-gyémántba, a rombuszszerkezetben lévő üres hely mellett (úgynevezett NV központ, vagy egy nitrogénatommal helyettesített üres hely egy gyémántban), és mikrohullámú impulzussal tölti fel. Az NV központ körül forgó elektron egyidejűleg elnyeli a fényt, és nem vesz fel, és a rendszer két centrifugálási irányba fordul - két felfelé és lefelé - úgy, mint egy felső, amely egy bizonyos valószínűséggel az óramutató járásával megegyező irányban és egy bizonyos valószínűséggel az óramutató járásával ellenkező irányban forog. Az ezzel a szuperpozíciós centrifugálással megtöltött mikro-gyémánt mágneses mezőnek van kitéve,ami a felső centrifugálást balra, az alsó centrifugálást jobbra teszi. Maga a gyémánt két trajektoria szuperpozíciójára oszlik.
A teljes kísérlet során a tudósoknak ezt két, egymás mellett, ultrahűtött vákuumban található - például piros és kék - gyémánttal kell megtenniük. Amikor az őket tartó csapda kialszik, két mikro-gyémánt, mindegyik két helyzet egymással szemben, függőlegesen esik vákuumban. Amint a gyémántok esnek, meg fogja érezni mindegyik súlyát. Mennyire erős lesz a gravitációs vonzódás?
Ha a gravitáció kvantum-interakció, akkor a válasz: attól függően, hogy mi. A kék gyémánt szuperpozíciójának minden alkotóeleme erősebb vagy gyengébb vonzódást fog tapasztalni a vörös gyémánthoz, attól függően, hogy ez utóbbi a közelebbi vagy távolabbi szuperpozíciós ágban van-e. És a gravitáció, amelyet egy vörös gyémánt szuperpozíciójának minden alkotóeleme érzékel, hasonlóan függ a kék gyémánt állapotától.
Mindegyik esetben a gravitációs vonzás eltérő szintje befolyásolja a gyémánt szuperpozíciók fejlődő összetevőit. Két gyémánt kölcsönösen függ egymástól, mivel állapotuk csak kombinációban határozható meg - ha ez azt jelenti -, ezért végül az NV központok két rendszerének forgásirányai korrelálnak.
Miután a mikrodimántok három másodpercre egymás mellé esnek - elég ahhoz, hogy beleakadjanak a gravitációba - egy másik mágneses mezőn haladnak át, amely ismét igazítja az egyes szuperpozíciók ágait. A kísérlet utolsó lépése a dán fizikus, Barbara Teral és mások által kidolgozott összefonódási tanúprotokoll: a kék és a vörös gyémántok különböző eszközökbe kerülnek, amelyek mérik az NV központrendszerek centrifugálási irányát. (A mérés a bizonyos szuperpozíciók összeomlásához vezet). Ezután összehasonlítják a két eredményt. A kísérlet többszöri futtatásával és a spinmérés több párjának összehasonlításával a tudósok megállapíthatják, hogy a két kvantumrendszer spinjei valóban korreláltak-e egymással, mint egy olyan felső érték meghatározásával, amelyek nem kvantummechanizmusban nem kapcsolódnak egymáshoz. Ha igen,A gravitáció belekapaszkodik a gyémántokba és képes fenntartani a szuperpozíciót.
"Ami érdekes ebben a kísérletben, hogy nem kell tudnia, mi a kvantumelmélet" - mondja Blenkow. "Csak annyit kell mondania, hogy ezen a területen van valamiféle kvantum aspektus, amelyet a két részecske közötti erő közvetít."
Sok technikai nehézség van. A legnagyobb tárgy, amelyet korábban két helyre helyeztek, a 800 atomos molekula. Minden mikro-gyémánt több mint 100 milliárd szénatomot tartalmaz - elegendő egy kézzelfogható gravitációs erő felépítéséhez. Kvantummechanikai tulajdonságainak kicsomagolása alacsony hőmérsékletet, mély vákuumot és pontos ellenőrzést igényel. „Nagyon sok munka szükséges a kezdeti szuperpozíció beállításához és kiváltásához” - mondja Peter Barker, a kísérleti csapat tagja, amely továbbfejleszti a lézerhűtést és a mikromantás elfogási technikákat. Bose hozzáteszi, hogy ha egy gyémánttal meg lehet valósítani, a második nem jelent problémát.
Mi teszi egyedivé a gravitációt?
A kvantum gravitációs kutatóknak nem kétséges, hogy a gravitáció kvantum kölcsönhatás, amely összefonódást okozhat. A gravitáció természetesen kissé egyedülálló, és még sokat kell még tanulni a tér és az idő eredetéről, ám a kvantummechanikát határozottan be kell vonni - mondják a tudósok. "Nos, valójában mi az értelme egy olyan elméletnek, amelyben a fizika nagy része kvantum és a gravitáció klasszikus" - mondja Daniel Harlow, a MIT kvantitatív gravitációs kutatója. A vegyes kvantum-klasszikus modellekkel szembeni elmélet nagyon erős (bár nem meggyőző).
Másrészt a teoretikusok már tévesek voltak. - Ha ellenőrizni tudja, miért nem? Ha elnémítja ezeket az embereket, akik megkérdőjelezik a gravitáció kvantitását, nagyszerű lenne”- mondta Harlow.
A tanulmányok elolvasása után Dyson írta: "A javasolt kísérlet kétségkívül nagy érdeklődésre számot tart, és valódi kvantumrendszer körülményei között kell végrehajtani." Megjegyzi azonban, hogy a szerzők kvantummezőkkel kapcsolatos gondolkodásának iránya különbözik az övétől. „Számomra nem világos, hogy ez a kísérlet képes-e megoldani a kvantitatív gravitáció létezésének kérdését. A feltett kérdés - vajon külön-külön megfigyeltük-e a gravitont - egy másik kérdés, és lehet, hogy más választ ad."
Bose, Marletto és kollégáik gondolata a kvantált gravitációról Bronstein munkájából származik már 1935-ben. (Dyson Bronstein munkáját "gyönyörű műnek" nevezte, amelyet még nem látott). Bronstein kimutatta, hogy az alacsony tömeg által generált gyenge gravitáció Newton gravitációs törvényével közelíthető meg. (Ez az az erő, amely a mikrotémák szuperpozíciói között működik). Blencoe szerint a gyenge kvantált gravitáció számítását nem végezték el különösebben, bár minden bizonnyal relevánsabbak, mint a fekete lyukak vagy a Nagyrobbanás fizikája. Reméli, hogy az új kísérleti javaslat arra ösztönzi a teoretikusokat, hogy finoman finomítsák a newtoni közelítést, amelyet a jövőbeli asztali kísérletek megpróbálhatnak kipróbálni.
Leonard Susskind, a Stanford Egyetem neves kvantum gravitációs és húrteoretikusa látta a javasolt kísérlet értékét, mert "a gravitáció megfigyelését nyújtja új tömeg- és távolságtartományon". De ő és más kutatók hangsúlyozták, hogy a mikrodimanták semmit sem tudnak feltárni a kvantum gravitáció vagy az űridő teljes elméletéről. Ő és kollégái szeretnék megérteni, mi történik egy fekete lyuk közepén és a Nagyrobbanás idején.
Az egyik nyom arra, hogy a gravitáció miért nehezebb számszerűsíthető, mint bármi más, az, hogy a természet egyéb erőinek úgynevezett „lokalitása” van: a mező egyik régiójában lévő kvantum részecskék (például az elektromágneses mező fotonjai) „függetlenek a más fizikai entitásokat a tér egy másik területén”- mondja Mark van Raamsdonk, a Brit Columbia Egyetem kvantitatív gravitációs teoretikusa. "De sok elméleti bizonyíték van arra, hogy a gravitáció nem működik így."
Van Raamsdonk szerint a kvantum gravitáció legjobb homokmodelleiben (egyszerűsített tér-idő geometriákkal) lehetetlen feltételezni, hogy a szalagszerű tér-idő szövet független háromdimenziós darabokra hasadna. Ehelyett a modern elmélet azt sugallja, hogy a tér mögöttes, alapvető alkotóelemei "inkább kétdimenziósan vannak megrendezve". A téridő szövete lehet, mint egy hologram vagy videojáték. "Noha a kép háromdimenziós, az információt egy kétdimenziós számítógépes chipen tárolják." Ebben az esetben a háromdimenziós világ illúzió lesz abban az értelemben, hogy különféle részei nem annyira függetlenek. A videojátékokhoz hasonlóan néhány bit egy kétdimenziós chipben kódolhatja az egész játék univerzumának globális funkcióit.
És ez a különbség akkor számít, ha kvantumelméletet próbál létrehozni. Valami kvantálásának szokásos megközelítése az, hogy meghatározza annak független részeit - például részecskéket -, majd kvantummechanikát alkalmaz rájuk. De ha nem azonosítja a megfelelő alkotóelemeket, akkor rossz egyenletekkel jár. A háromdimenziós tér közvetlen kvantálása, amelyet Bronstein akart tenni, bizonyos mértékben gyenge gravitációval működik, ám haszontalannak bizonyul, ha a téridő nagyon görbe.
Egyes szakértők szerint a kvantitatív gravitáció „mosolyának” tanúbizonysága motiválhatja az ilyen elvont érvelést. Végül is a kvantitatív gravitáció létezésével kapcsolatos leghangosabb elméleti érveket nem támasztják alá a kísérleti bizonyítékok. Amikor van Raamsdonk elmagyarázza kutatásait egy tudósok kollokviumában, azt mondja, hogy általában azzal kezdődik, hogy elmondják, hogy hogyan kell megfontolni a gravitációt a kvantummechanikával, mert a téridő klasszikus leírása a fekete lyukakon és a Nagyrobbanáson bomlik.
„De ha ezt az egyszerű kísérletet elvégzi és megmutatja, hogy a gravitációs mező szuperpozícióban volt, akkor a klasszikus leírás kudarca nyilvánvalóvá válik. Mert lesz egy kísérlet, amely azt sugallja, hogy a gravitáció kvantum."
A Quanta Magazine anyagai alapján
Ilya Khel