Leta 1935, ko sta bila kvantna mehanika in Einsteinova splošna teorija relativnosti zelo mlada, je ne tako znani sovjetski fizik Matvei Bronstein pri 28 letih naredil prvo podrobno študijo o uskladitvi teh dveh teorij v kvantni teoriji gravitacije. Ta, "morda teorija celega sveta", kot je zapisal Bronstein, bi lahko nadomestila Einsteinov klasični opis gravitacije, v katerem je videti kot krivulje v vesolju vesolja in časa, in ga prepisati v kvantni jezik, kot vsa druga fizika.
Bronstein je domislil, kako naj opiše gravitacijo v smislu kvantiziranih delcev, ki jih danes imenujemo gravitoni, vendar le, kadar je sila gravitacije šibka - torej (na splošno relativnost), ko je vesoljski čas tako šibko ukrivljen, da je praktično ravno. Ko je gravitacija močna, "je situacija popolnoma drugačna," je zapisal znanstvenik. "Brez globoke revizije klasičnih konceptov se zdi skoraj nemogoče predstaviti kvantno teorijo gravitacije na tem področju."
Njegove besede so bile preroške. Osemindvajset let kasneje fiziki še vedno poskušajo razumeti, kako se ukrivljenost v vesolju kaže na makroskopskem merilu, ki izhaja iz bolj temeljne in domnevno kvantne slike gravitacije; morda najgloblje vprašanje fizike. Morda bi, če bi obstajala možnost, svetla glava Bronsteina pospešila postopek tega iskanja. Poleg kvantne gravitacije je prispeval tudi k astrofiziki in kozmologiji, teoriji polprevodnikov, kvantni elektrodinamiki in napisal več knjig za otroke. Leta 1938 je padel pod stalinistično represijo in bil usmrčen v starosti 31 let.
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.
Problem je v skrajni šibkosti gravitacijske sile. Medtem ko so kvantizirani delci, ki oddajajo močne, šibke in elektromagnetne sile, tako močni, da tesno vežejo materijo v atome in jih je mogoče dobesedno pregledati pod lupo, so gravitoni posamično tako šibki, da jih laboratorije nimajo možnosti zaznati. Če želite ujeti graviton z veliko mero verjetnosti, mora biti detektor delcev tako velik in masiven, da se zruši v črno luknjo. Ta šibkost pojasnjuje, zakaj so astronomske množične mase potrebne, da vplivajo na druga masivna telesa s pomočjo gravitacije in zakaj vidimo gravitacijske učinke na ogromnih lestvicah.
To pa še ni vse. Zdi se, da vesolje doživlja nekakšno kozmično cenzuro: območja močne gravitacije - kjer so krivulje prostora in časa tako ostre, da Einsteinove enačbe ne uspejo, razkrije pa se kvantna narava gravitacije in prostora-časa - se vedno skrivajo za obzorjem črnih lukenj.
"Še pred nekaj leti je bilo splošno soglasje, da je najverjetneje na kakršen koli način izmeriti kvantizacijo gravitacijskega polja," pravi Igor Pikovsky, teoretični fizik na univerzi Harvard.
Promocijski video:
In tukaj je nekaj nedavnih prispevkov, objavljenih v Fizičnih pregledih, ki so spremenili stanje. Ti dokumenti trdijo, da je mogoče priti do kvantne gravitacije - tudi če o tem ničesar ne vemo. V prispevkih, ki sta jih napisala Sugato Bose z University College London ter Chiara Marletto in Vlatko Vedral z univerze v Oxfordu, predlagajo tehnično zahteven, vendar izvedljiv eksperiment, ki bi lahko potrdil, da je gravitacija kvantna sila kot vsi drugi, ne da bi za to potrebovali zaznavanje gravitona. Miles Blencoe, kvantni fizik na kolidžu v Dartmouthu, ki ni bil vključen v delo, pravi, da bi tak poskus lahko razkril jasno sled nevidne kvantne gravitacije - "nasmeh mačke Cheshire".
Predlagani eksperiment bo določil, ali se bosta dva predmeta - skupina Bose namerava uporabiti par mikro-diamantov - v procesu medsebojne gravitacijske privlačnosti kvantno mehansko zapletla med seboj. Zapletanje je kvantni pojav, v katerem se delci neločljivo prepletajo in si delijo en sam fizični opis, ki določa njihova možna kombinirana stanja. (Soobstoj različnih možnih stanj se imenuje "superpozicija" in definira kvantni sistem). V superpoziciji lahko na primer obstaja par zapletenih delcev, v katerem se bo delček A vrtel od spodaj navzgor s 50-odstotno verjetnostjo in B - od zgoraj navzdol in obratno s 50-odstotno verjetnostjo. Nihče vnaprej ne ve, kakšen rezultat boste dobili pri merjenju smeri vrtenja delcev, vendar ste v to lahko prepričanida bodo imeli enako.
Avtorji trdijo, da se lahko dva predmeta v predlaganem poskusu zapleteta na ta način le, če je sila, ki deluje med njima - v tem primeru gravitacija - kvantna interakcija, posredovana z gravitoni, ki lahko podpira kvantne superpozicije. "Če se izvede poskus in se zaplete, je v skladu s papirjem mogoče sklepati, da je gravitacija kvantizirana," je pojasnil Blenkow.
Zapletite diamant
Kvantna gravitacija je tako subtilna, da so nekateri znanstveniki dvomili o njenem obstoju. Slavni matematik in fizik Freeman Dyson, ki je star 94 let, od leta 2001 trdi, da lahko vesolje podpira nekakšen "dualistični" opis, v katerem bo "gravitacijsko polje, ki ga opisuje Einsteinova splošna teorija relativnosti, čisto klasično polje brez kvantnega vedenja." in vso snov v tem gladkem vesoljsko-časovnem kontinuumu bodo kvantizirali delci, ki upoštevajo pravila verjetnosti.
Dyson, ki je pomagal razviti kvantno elektrodinamiko (teorijo interakcij med materijo in svetlobo) in je profesor emeritus na Inštitutu za napredne študije v Princetonu v New Jerseyju, ne verjame, da je kvantitativna gravitacija potrebna za opisovanje nedosegljivih globin črnih lukenj. In tudi meni, da je zaznavanje hipotetičnega gravitona načeloma nemogoče. V tem primeru bo kvantna gravitacija metafizična, ne fizikalna.
Ni edini skeptik. Slavni angleški fizik sir Roger Penrose in madžarski znanstvenik Lajos Diosi sta neodvisno domnevala, da prostor-čas ne more podpirati superpozicije. Menijo, da njegova gladka, trdna, v osnovi klasična narava preprečuje, da bi se hkrati zavil na dve možni poti - in ta togost vodi v propad superpozicij kvantnih sistemov, kot so elektroni in fotoni. "Gravitacijska dekoherenca" po njihovem mnenju omogoča, da se zgodi enotna, trdna, klasična resničnost, ki jo je mogoče čutiti v makroskopskem merilu.
Če bi našli nasmeh kvantne gravitacije, bi bilo verjetno, da bi zavrnil Dysonovo trditev. Prav tako ubija teorijo gravitacijske dekoherentnosti, saj prikazuje, da gravitacija in vesolje podpirata kvantne superpozicije.
Predlogi Boseja in Marletta so se pojavili istočasno in povsem po naključju, čeprav strokovnjaki ugotavljajo, da odražajo duh časa. Eksperimentalni laboratoriji za kvantno fiziko po vsem svetu postavljajo vse večje mikroskopske predmete v kvantne superpozicije in optimizirajo testne protokole za zapletenost dveh kvantnih sistemov. Predlagani poskus bi moral združiti te postopke, obenem pa bi bilo treba izboljšati obseg in občutljivost; lahko traja deset let. "Vendar fizične slepe točke ni," pravi Pikovsky, ki prav tako raziskuje, kako bi laboratorijski poskusi lahko preizkušali gravitacijske pojave. "Mislim, da je težko, ni pa nemogoče."
Ta načrt je podrobneje opisan v delu enajstih strokovnjakov Boseja in drugih Ocean v različnih fazah predloga. Na primer, v svojem laboratoriju na Univerzi v Warwicku soavtor Gavin Morley dela na prvem koraku, ki poskuša mikrodiamant postaviti v kvantno superpozicijo na dveh mestih. Če želite to narediti, bo v mikro-diamant vključil dušikov atom, poleg prostega mesta v diamantni strukturi (tako imenovani NV center ali dušikovo substituirano mesto v diamantu) in ga napolnil z mikrovalovnim impulzom. Elektroni, ki se vrtijo okoli središča NV, hkrati absorbirajo svetlobo in ne, sistem pa gre v kvantno superpozicijo dveh vrtilnih smeri - navzgor in navzdol - kot vrh, ki se z določeno verjetnostjo vrti v smeri urinega kazalca in v nasprotni smeri urinega kazalca. Mikro-diamant, obremenjen s tem superpozicijskim spin, je izpostavljen magnetnemu polju,zaradi česar se zgornji spin premakne v levo, spodnji pa v desno. Sam diamant je razdeljen na superpozicijo dveh trajektorije.
V celotnem poskusu morajo znanstveniki vse to narediti z dvema diamantoma - rdečim in modrim, recimo - nameščenima ob strani v ultra hladnem vakuumu. Ko se pasti, ki ju držita, ugasneta, dva mikro-diamanta, vsaka v superpoziciji dveh položajev, vertikalno padeta v vakuum. Ko bodo diamanti padali, bodo čutili težo vsakega od njih. Kako močan bo njihov gravitacijski poteg?
Če je gravitacija kvantna interakcija, je odgovor: odvisno od tega. Vsaka komponenta superpozicije modrega diamanta bo doživela močnejšo ali šibkejšo privlačnost do rdečega diamanta, odvisno od tega, ali je slednji v veji superpozicije, ki je bližje ali bolj oddaljen. In težnost, ki jo bo čutila vsaka komponenta superpozicije rdečega diamanta, je podobno odvisna od stanja modrega diamanta.
V vsakem primeru različne stopnje gravitacijske privlačnosti vplivajo na razvijajoče se sestavine diamantov. Dva diamanta postaneta soodvisna, ker je njuno stanje mogoče določiti le v kombinaciji - če to pomeni, da bosta torej na koncu korelacije smeri obeh sistemov NV centrov korelirana.
Potem ko mikrodiamanti tri sekunde padejo drug ob drugem - dovolj, da se zapletejo v gravitacijo - bodo prešli skozi drugo magnetno polje, ki bo spet poravnalo veje vsake superpozicije. Zadnji korak poskusa je protokol priče zapletanja, ki ga je razvila danska fizičarka Barbara Teral in drugi: modri in rdeči diamanti vstopajo v različne naprave, ki merijo smeri vrtenja NV-centralnih sistemov. (Merjenje vodi v propad superpozicij v določena stanja). Nato primerjata dva rezultata. Z eksperimentom znova in znova in s primerjanjem več parov meritev vrtljajev lahko znanstveniki ugotovijo, ali sta vrtenja dveh kvantnih sistemov dejansko bolj korelirana kot določitev zgornje meje za predmete, ki niso kvantno mehansko zapleteni. Če je tako,gravitacija zaplete diamante in lahko ohrani superpozicijo.
"Pri tem eksperimentu je zanimivo, da vam ni treba vedeti, kaj je kvantna teorija," pravi Blenkow. "Vse, kar je potrebno, je trditi, da je na tem področju nek kvantni vidik, ki ga posreduje sila med obema delcema."
Veliko je tehničnih težav. Največji predmet, ki je bil pred tem na dveh mestih, je molekula 800 atomov. Vsak mikro-diamant vsebuje več kot 100 milijard atomov ogljika - dovolj za nastanek oprijemljive gravitacijske sile. Za razpakiranje njegove kvantne mehanske narave bodo potrebne nizke temperature, globok vakuum in natančen nadzor. "V postavitev začetne superpozicije in sprožitve je vloženega veliko dela," pravi Peter Barker, član eksperimentalne ekipe, ki izboljšuje lasersko hlajenje in zajemanje mikro-diamantov. Če bi to lahko storili z enim diamantom, doda Bose, "drugi ne bo problem."
Kaj naredi gravitacijo edinstveno?
Raziskovalci kvantne gravitacije nimajo dvoma, da je gravitacija kvantna interakcija, ki lahko povzroči zapletanje. Seveda je gravitacija nekoliko edinstvena in o izvoru prostora in časa se je treba še veliko naučiti, vsekakor pa bi bilo treba vključiti kvantno mehaniko, pravijo znanstveniki. "No, v resnici je smisel teorije, v kateri je večina fizike kvantna, gravitacija pa klasična," pravi Daniel Harlow, raziskovalec kvantne gravitacije na MIT. Teoretični argumenti proti mešanim kvantno-klasičnim modelom so zelo močni (čeprav niso prepričljivi).
Po drugi strani so bili teoretiki že prej napačni. "Če lahko preverite, zakaj ne? Če bi utišal te ljudi, ki dvomijo v kvantnost gravitacije, bi bilo super, "je dejal Harlow.
Po branju prispevkov je Dyson zapisal: "Predlagani eksperiment nedvomno vzbuja veliko zanimanje in zahteva izvedbo pod pogoji resničnega kvantnega sistema." Vendar ugotavlja, da je usmeritev misli avtorjev o kvantnih poljih drugačna od njegove. "Ni mi jasno, ali bo s tem poskusom mogoče rešiti vprašanje obstoja kvantne gravitacije. Vprašanje, ki sem ga postavil - ali opazujemo ločen graviton - je drugo vprašanje in morda ima drugačen odgovor."
Misel Boseja, Marletta in njihovih kolegov o kvantizirani gravitaciji izhaja iz dela Bronsteina že leta 1935. (Dyson je Bronsteinovo delo poimenoval "lepo delo", ki ga še ni videl). Bronstein je še posebej pokazal, da je šibko gravitacijo, ki jo ustvarja majhna masa, mogoče približati Newtonovemu zakonu gravitacije. (To je sila, ki deluje med superpozicijami mikro diamantov). Po besedah Blencoeja izračuni šibke kvantizirane gravitacije niso bili posebej izvedeni, čeprav so gotovo pomembnejši od fizike črnih lukenj ali velikega poka. Upa, da bo nov eksperimentalni predlog spodbudil teoretike, da bodo iskali tankočutne podrobnosti Newtonovega približka, ki jih bodo v prihodnosti lahko poskusili.
Leonard Susskind, priznani teoretik kvantne gravitacije in strun na univerzi Stanford, je videl vrednost predlaganega eksperimenta, ker "zagotavlja opazovanje gravitacije v novem razponu mas in razdalj." Toda on in drugi raziskovalci so poudarili, da mikroskopi ne morejo razkriti ničesar o celotni teoriji kvantne gravitacije ali vesoljskega časa. On in njegovi kolegi bi radi razumeli, kaj se dogaja v središču črne luknje in v času velikega poka.
Morda je eden od namigov, zakaj je gravitacijo toliko težje določiti kot karkoli drugega, to, da imajo druge sile narave tako imenovano "lokacijo": kvantni delci na enem področju polja (na primer fotoni v elektromagnetnem polju) so "neodvisni od druge fizične entitete v drugem vesoljskem prostoru, "pravi Mark van Raamsdonk, teoretik kvantne gravitacije na Univerzi v Britanski Kolumbiji. "Vendar obstaja veliko teoretičnih dokazov, da gravitacija ne deluje tako."
V najboljših modelih peščene kvantne gravitacije (s poenostavljenimi geometrijami vesolja in časa) je nemogoče domnevati, da je trak prostora in časa tkanina razdeljena na neodvisne tridimenzionalne koščke, pravi van Raamsdonk. Namesto tega sodobna teorija kaže, da so osnovne, temeljne sestavine prostora "precej dvodimenzionalno organizirane." Tkanina prostora-časa je lahko kot hologram ali video igra. "Čeprav je slika tridimenzionalna, so informacije shranjene na dvodimenzionalnem računalniškem čipu." V tem primeru bo tridimenzionalni svet iluzija v smislu, da njegovi različni deli niso tako neodvisni. Podobno kot pri video igrah lahko nekaj bitov na dvodimenzionalnem čipu kodira globalne funkcije celotnega vesolja iger.
In ta razlika je pomembna, ko poskušate ustvariti kvantno teorijo gravitacije. Običajen pristop kvantiziranja nečesa je določitev njegovih neodvisnih delov - na primer delcev - in nato nanje uporabiti kvantno mehaniko. Če pa ne določite pravilnih sestavnih delov, na koncu dobite napačne enačbe. Neposredna kvantizacija tridimenzionalnega prostora, ki jo je želel Bronstein, do neke mere deluje s šibko gravitacijo, vendar se izkaže, da je neuporabna, kadar je vesoljski čas močno ukrivljen.
Nekateri strokovnjaki trdijo, da lahko priča "nasmehu" kvantne gravitacije motivira tovrstno abstraktno sklepanje. Navsezadnje tudi najglasnejši teoretični argumenti o obstoju kvantne gravitacije niso podprti z eksperimentalnimi dokazi. Ko van Raamsdonk razloži svoje raziskave na kolokviju znanstvenikov, se običajno začne s pripovedovanjem, kako je treba gravitacijo preučiti s kvantno mehaniko, ker se klasični opis vesoljskega časa razbije ob črnih luknjah in velikem udaru.
"Toda če naredite ta preprost eksperiment in pokažete, da je bilo gravitacijsko polje v superpoziciji, postane neuspeh klasičnega opisa očiten. Ker bo prišlo do poskusa, ki pomeni, da je gravitacija kvantna."
Na podlagi materialov revije Quanta
Ilya Khel