Imamo vse razloge, da verjamemo, da je gravitacija sama po sebi kvantna teorija. Toda kako lahko to enkrat za vselej dokažemo? O tem govori dr. Sabina Nossenfelder, teoretična fizičarka, strokovnjakinja za kvantno gravitacijo in visokoenergijsko fiziko. Dalje od prve osebe.
Če imate dober vid, bodo najmanjši predmeti, ki jih vidite, približno desetina milimetra: približno širina človeškega lasu. Dodajte tehnologijo in najmanjša struktura, ki smo jo doslej lahko izmerili, je bila približno 10-19 metrov, kar je valovna dolžina protonov, ki trčijo v LHC. Od najprimitivnejšega mikroskopa do izdelave LHC je trajalo 400 let, kar je v štirih stoletjih izboljšanje za 15 vrst velikosti.
Ocenjujejo, da bodo kvantni učinki gravitacije postali pomembni na lestvicah oddaljenosti približno 10-35 metrov, znanih kot Planckova dolžina. To je še 16 vrst magnitude poti ali drug faktor 1016 glede energije trka. Tako se sprašujete, ali je to sploh mogoče ali če bodo vsa prizadevanja pri iskanju kvantne teorije gravitacije za vedno ostala prosta fikcija.
Sem optimist. Zgodovina znanosti je polna ljudi, ki so mislili, da marsikaj ni mogoče, v resnici pa se je izkazalo obratno: merjenje odklona svetlobe v gravitacijskem polju sonca, stroji težji od zraka, zaznavanje gravitacijskih valov. Zato se mi ne zdi nemogoče eksperimentalno preizkusiti kvantno gravitacijo. Lahko traja več deset ali sto let - toda če se bomo še naprej gibali, bomo morda nekega dne lahko izmerili učinke kvantne gravitacije. Ne nujno z neposrednimi dosežki naslednjih 16 zaporednih razsežnosti, temveč s posrednim zaznavanjem pri nižjih energijah.
Toda iz nič se ne rodi nič. Če ne razmišljamo o tem, kako bi se lahko pokazali učinki kvantne gravitacije in kje se lahko pojavijo, jih zagotovo ne bomo nikoli našli. Moj optimizem spodbuja vse večje zanimanje za fenomenologijo kvantne gravitacije, raziskovalno področje, ki je namenjeno preučevanju, kako najbolje iskati manifestacije učinkov kvantne gravitacije.
Ker za kvantno gravitacijo ni bila izumljena še ena dosledna teorija, se sedanja prizadevanja za iskanje opaznih pojavov osredotočajo na iskanje načinov za preizkušanje splošnih značilnosti teorije z iskanjem lastnosti, ki jih najdemo v nekaterih različnih pristopih kvantne gravitacije. Na primer, kvantna nihanja v vesolju ali prisotnost "najmanjše dolžine", ki bo pomenila temeljno mejo ločljivosti. Takšne učinke je mogoče določiti z matematičnimi modeli, nato pa bi lahko ocenili moč teh možnih učinkov in razumeli, kateri poskusi bi lahko dali najboljše rezultate.
Preizkušanje kvantne gravitacije že dolgo velja za izven dosega poskusov, sodeč po ocenah, potrebujemo trkalnik velikosti Mlečne poti, da pospešimo protone, dovolj za izdelavo merljivega števila gravitonov (kvante gravitacijskega polja) ali potrebujemo detektor velikosti Jupiterja za merjenje gravitonov ki se rodijo povsod. Ni nemogoče, zagotovo pa ne nekaj, kar bi bilo treba pričakovati v bližnji prihodnosti.
Promocijski video:
Taki argumenti pa zadevajo samo neposredno zaznavanje gravitonov in to ni edina manifestacija učinkov kvantne gravitacije. Obstaja veliko drugih opaznih posledic, ki jih lahko povzroči kvantna gravitacija, nekatere smo že iskali in nekatere načrtovali iskati. Zaenkrat so naši rezultati izključno negativni. Toda tudi negativni so dragoceni, saj nam povedo, kakšne lastnosti teorija, ki jo potrebujemo, morda nima.
Ena od preizkusnih posledic kvantne gravitacije je na primer lahko simetrija, ki je temeljna za posebno in splošno relativnost, znana kot Lorentzova invariance. Zanimivo je, da kršitve Lorentzove invariance niso nujno majhne, tudi če so ustvarjene na razdaljah, ki so premajhne, da bi jih lahko opazili. Po drugi strani pa bo simetrija prekinila reakcije številnih delcev na razpoložljive energije z neverjetno natančnostjo. Nobenih dokazov o kršitvah Lorentzove invariance še ni bilo. Morda se zdi malo, vendar če vemo, da je treba to simetrijo upoštevati z najvišjo stopnjo natančnosti v kvantni gravitaciji, lahko to uporabite pri razvoju teorije.
Druge preizkusne posledice bi lahko bile v šibkem polju kvantne gravitacije. V zgodnjem vesolju naj bi kvantna nihanja v vesolju in času povzročila nihanje temperature v materiji. Ta nihanja temperature opazimo danes, vtisnjena pa so v sevanje ozadja (CMB). Vtis "primarnih gravitacijskih valov" na kozmičnem mikrovalovnem ozadju še ni izmerjen (LIGO zanj ni dovolj občutljiv), vendar naj bi bil znotraj enega do dveh vrst velikosti trenutne natančnosti merjenja. Pri iskanju tega signala si prizadevajo številna eksperimentalna sodelovanja, vključno z BICEP, POLARBEAR in opazovalnikom Planck.
Drug način za preizkus meje šibkega polja kvantne gravitacije je poskus, da v kvantno superpozicijo vnesemo velike predmete: predmete, ki so veliko težji od elementarnih delcev. Tako bo gravitacijsko polje močnejše in potencialno preizkusilo njegovo kvantno vedenje. Najtežji predmeti, ki smo jih doslej uspeli povezati v superpozicijo, tehtajo približno nanogram, kar je za nekaj vrst velikosti manj, kot je potrebno za merjenje gravitacijskega polja. Toda pred kratkim je skupina znanstvenikov na Dunaju predlagala eksperimentalno shemo, ki bi nam omogočila, da gravitacijsko polje merimo veliko natančneje kot prej. Počasi se približujemo območju kvantne gravitacije.
(Upoštevajte, da se ta izraz razlikuje v astrofiziki, kjer se "močna gravitacija" včasih uporablja za označevanje nečesa drugega, kot so velika odstopanja od gravitacije Newtona, ki jih lahko najdemo v bližini obzorja dogodkov črne luknje.)
Močni učinki kvantne gravitacije bi lahko pustili tudi odtis (razen šibkih poljskih učinkov) v CMB (reliktno sevanje), zlasti v vrsti korelacij, ki jih lahko najdemo med nihanji. Obstajajo različni modeli nizke kozmologije in kozmologije kvantne zanke, ki proučujejo opazne posledice, in predlagani poskusi, kot so EUCLID, PRISM in WFIRST, lahko najdejo zgodnje indikacije.
Obstaja še ena zanimiva ideja, ki temelji na nedavni teoretični ugotovitvi, po kateri gravitacijski zlom snovi morda ne tvori vedno črne luknje - celotni sistem se bo izognil nastanku obzorja. Če je tako, nam bo preostali predmet dal pogled na območje s kvantnimi gravitacijskimi učinki. Ni pa jasno, na kakšne signale bi morali iskati takšen predmet, vendar je to obetavna smer iskanja.
Idej je veliko. Velik razred modelov obravnava možnost, da kvantni gravitacijski učinki dajejo vesolju čas lastnosti medija. To lahko privede do razpršitve svetlobe, dvoreznosti, dekoncentracije ali prazne nepreglednosti prostora. Ne moreš povedati o vsem naenkrat. Toda brez dvoma je treba še veliko storiti. Iskanje dokazov, da je gravitacija res kvantna sila, se je že začelo.
ILYA KHEL