Nedavno predloženi eksperiment potvrdio bi da je gravitacija kvantna sila.
2 mikrodijamanta bi se koristila da se ispita kvantna priroda gravitacije
U 1935. godini, kada su i kvantna mehanika i generalna teorija relativnosti Alberta Ajnštajna bile mlade, malo poznati sovjetski fizičar po imenu Matvei Bronstein, sa samo 28 godina, napravio je prvu detaljnu studiju problema pomirenja ove dvije teorije u kvantnoj teoriji gravitacije. Ova “moguća teorija svijeta kao cjeline”, kako ju je Bronstein nazvao, zamjenila bi Ajnštajnov klasični opis gravitacije, koji ju smatra kao krivinu u kontinuumu prostor – vremena, i opisala ju na kvantnom jeziku kao i ostatak fizike.
Bronstein je shvatio kako opisati gravitaciju u smislu kvantizovanih čestica, sada nazvanih graviton, ali samo kada je sila gravitacije slaba – to je (uopšteno relativnost), kada je prostorno vrijeme tkanina tako slabo zakrivljena da se može aproksimirati kao ravna. Kada je gravitacija snažna, “situacija je sasvim drugačija”, napisao je on. “Bez dubinske revizije klasičnih pojmova, čini se teško da se i kvantna teorija gravitacije proširi i na ovu oblast”.
Njegove rječi bile su proročke. Osamdeset i tri godine kasnije, fizičari i dalje pokušavaju da shvate kako se krivulja prostor-vremena pojavljuje na makroskopskim skalama iz više fundamentalne, verovatno kvantne slike gravitacije; to je vjerovatno najdublje pitanje u fizici. Možda, s obzirom na šansu, pametan Bronštajn bi mogao pomoći da ubrzaju stvari. Pored kvantne gravitacije, doprineo je i astrofizici i kosmologiji, teoriji poluprovodnika i kvantnoj elektrodinamici, a takođe je napisao i nekoliko naučnih knjiga za djecu, prije nego što je uhvaćen u Staljinovom velikom čišćenju i pogubljen 1938. u 31 godini.
Sovjetski teoretski fizičar Matvei Petrovich Bronstein (1906-1938), pionir istraživanja kvantne gravitacije čiji radovi na zapadu ostaju uglavnom nepoznati.
Javni domen
Potraga za punom teorijom kvantne gravitacije ugušena je činjenicom da se kvantna svojstva gravitacije nikad ne manifestuju u stvarnom iskustvu. Fizičari nikada ne vide kako Ejnštajnov opis prostor-vremenskog kontinuuma, ili Bronsteinove kvantne aproksimacije kada je slabo zakrivljen, griješi.
Problem je ekstremna slabost gravitacije. Dok su kvantizovane čestice koje prenose snažne, slabe i elektromagnetne sile toliko moćne da čvrsto vezuju materiju u atome, i mogu se proučavati u top eksperimentima, gravitoni su pojedinačno toliko slabi da laboratorije nemaju nadu da ih otkriju. Da bi se otkrio graviton sa velikom vjerovatnoćom, detektor čestica mora biti toliko ogroman i masivan da bi se srušio u crnu rupu. Ova slabost je zbog čega je potrebna astronomska akumulacija mase da gravitaciono utiče na druga masivna tijela i zašto vidimo samo veliku težinu.
Ne samo to, već se čini da univerzum upravlja nekom vrstom kosmičke cenzure: regioni ekstremne gravitacije – gde su vremenske krivine toliko oštre da se ne otkrivaju Ajnštajnove jednačine i da se mora otkriti istinska, kvantna priroda gravitacije i prostora – uvjek se krije iza horizonta crnih rupa.
“Čak i prije nekoliko godina bio je opšti konsenzus koji kaže da, vjerovatno, ni na koji način nije moguće mjeriti kvantizaciju polja gravitacije”, rekao je Igor Pikovski, teoretski fizičar na Univerzitetu Harvard.
Nedavno je par radova objavljenih u Physical Review Letters-u promjenio račun. U člancima se tvrdi da je moguće pristupiti kvantnoj gravitaciji iako ništa ne znamo o njoj. Radovi, napisani od strane Sougata Bosea na Univerzitetskom koledžu u Londonu i devet saradnika, a Chiara Marletto i Vlatko Vedral na Univerzitetu u Oksfordu, predlažu tehnički izazovan, ali izvodljiv eksperiment koji bi mogao potvrditi da je gravitacija kvantna sila kao i ostalo , bez ikakvog otkrivanja gravitona. Miles Blencowe, kvantni fizičar na Dartmouth College-u koji nije bio uključen u rad, rekao je da će eksperiment otkriti siguran znak inače nevidljive kvantne gravitacije – “osmjeh Cheshire mačke”.
Predloženi eksperiment će utvrditi da li dva objekta – Bošina grupa planira da koriste par mikrodijamanata – mogu postati kvantno-mehanički povezani jedni s drugima kroz njihovu uzajamnu gravitacionu privlačnost. Upadanje je kvantni fenomen u kojem čestice postaju nerazdvojno prepletene, dijeljenje jedinstvenog fizičkog opisa koji specificira njihova moguća kombinovana stanja. (Koegzistencija različitih mogućih stanja, nazvana “superpozicija”, je znak kvantnih sistema.) Na primjer, u superpoziciji može postojati zamućeni par čestica u kojima postoji šansa od 50 posto da “spin” čestice A pokazuje nagore i Bove poenke i šansu od 50 posto prema dole. Nema unapred iskaza koji ishod ćete dobiti kada izmjerite smjerove centrifugiranja, ali možete biti sigurni da će pokazati suprotne načine.
Autori tvrde da se dva predmeta u predloženom eksperimentu mogu na ovaj način zapletati jedni na druge samo ako sila koja djeluje među njima – u ovom slučaju gravitacija – je kvantna interakcija, posredovana gravitonima koja mogu održavati kvantne superpozicije. “Ako možete da uradite eksperiment i dobijete zamah, onda prema tim dokumentima morate zaključiti da se gravitacija kvantizira”, objasnio je Blencowe.
Da spregnemo dijamant
Kvantna gravitacija je tako neprimjetna da su neki istraživači doveli u pitanje da li i postoji. Čestiti matematički fizičar Freeman Dyson, 94, tvrdi od 2001. godine da univerzum može održati neku vrstu “dualističkog” opisa, gdje je “gravitaciono polje opisano Einsteinovom teorijom opšteg relativiteta čisto klasično polje bez kvantnog ponašanja”, kako je on te godine napisao u The New York Review of Books, iako je sva stvar u ovom glatkom kontinuumu prostor – vremena kvantizirana u čestice koje su u skladu sa probabilističkim pravilima.
Dyson, koji je pomogao u razvoju kvantne elektrodinamike (teorije interakcije između materije i svjetlosti) i profesor emeritus na Institutu za napredne studije u Princetonu u New Jerseyu, gdje se preklapao sa Einsteinom, ne slaže se s argumentom da je kvantna gravitacija potrebna za opis nedostupnih enterijera crnih rupa. I on se pita da li je otkrivanje hipotetičkog gravitona možda i nemoguće, čak i načelno. U tom slučaju, tvrdi on, kvantna gravitacija je metafizika, a ne fizika.
On nije jedini skeptik. Renomirani britanski fizičar Sir Roger Penrose i, nezavisno, mađarski istraživač Lajos Diósi su pretpostavili da prostor – vrijeme ne može održavati superpozicije. Oni tvrde da njegova glatka, čvrsta, fundamentalno klasična priroda sprečava krivljenje na dva različita načina odjednom – i da je njegova rigidnost upravo ono što uzrokuje superpozicije kvantnih sistema poput elektrona i fotona da se kolabiraju. Ova “gravitacijska dekoherencija”, po njihovom mišljenju, dovodi do stvaranja jedne solidne, klasične stvarnosti doživljene na makroskopskim skalama.
Sposobnost detekcije “grina” kvantne gravitacije izgleda kao da odbacuje Dajsonov argument. To bi takođe ubilo gravitacionu teoriju dekoherencije, pokazujući da gravitacija i prostor-vrijeme održavaju kvantne superpozicije.
Prijedlozi Bosea i Marletta pojavili su se istovremeno uglavnom slučajno, mada su stručnjaci rekli da odražavaju zeitgeist. Eksperimentalne kvantne fizičke laboratorije širom svjeta stavljaju sve veće mikroskopske objekte u kvantne superpozicije i pojednostavljuju protokole za testiranje da li su dva kvantna sistema zapletena. Predloženi eksperiment će morati da kombinira ove procedure, a zahtjeva dodatna poboljšanja u obimu i osjetljivosti; moglo bi potrajati deceniju ili više. “Ali nema fizičkih prepreka”, rekao je Pikovski, koji takođe proučava kako laboratorijski eksperimenti mogu sagledati gravitacione pojave. “Mislim da je to izazovno, ali mislim da to nije nemoguće.”
Sougato Bose, fizičar na Univerzitetskom koledžu u Londonu, vodi tim istraživača koji planiraju eksperimentalno pristupiti kvantnoj gravitaciji.
Plan je detaljnije izložen u članku Bosea i koautora. Na primer, u svojoj laboratoriji na Univerzitetu u Warwicku, koautor Gavin Morley radi na prvom koraku, pokušavajući staviti mikrodijamant u kvantnu superpoziciju na dvije lokacije. Da bi to uradio, ugradio bi atom azota u mikrodijamant, pored slobodnog prostora u dijamantskoj strukturi, i zapušio mikrotalasnim pulsom. Elektronski orbitirajući sistem azotno-slobodnog sistema obojica apsorbuju svjetlost i ne, a sistem ulazi u kvantnu superpoziciju dva smjera okretanja – gore i dolje – kao predivni vrh koji ima vjerovatnoću okretanja u smjeru kazaljke na satu i neke šanse da se okreću suprotno od smjera suprotno od kazaljke na satu . Mikrodijamant, opterećen ovim naduvavanjem, podvrgava se magnetnom polju, što čini usporeno kretanje lijevo, a dole okretanje ide pravo. Sam dijamant se, dakle, dijeli u superpoziciju dvije trajektorije.
U punom eksperimentu, istraživači moraju sve to učiniti na dva dijamanta – plavom i crvenom, kažu – suspendovan jedan pored drugog u ultrakvalitetnom vakuumu. Kada je držač zamrznut, dva mikrodijamanta, svaki u superpoziciji dvije lokacije, vertikalno padaju kroz vakuum. Dok pada, dijamanti osjećaju gravitaciju jedan drugog. Ali koliko je jaka njihova gravitaciona atrakcija?
Ako je gravitacija kvantna interakcija, onda je odgovor: Zavisi. Svaka komponenta superpozicije plavog dijamanta imaće jaču ili slabiju gravitacionu privlačnost za crveni dijamant, u zavisnosti od toga da li je ovo drugo u grani svoje supozicije koja je bliža ili dalja. A gravitacija koju svaka komponenta superspekcije crvenih dijamanata osjeća slično zavisi od toga gdje je plavi dijamant.
U svakom slučaju, različiti stepen gravitacione privlačnosti utiču na razvijajuće komponente dijamantskih superpozicija. Dva dijamanta postaju međusobno zavisna, što znači da se njihova stanja mogu specificirati samo u kombinaciji – ako je to, onda to – tako da će, na kraju, spinovi pravci njihovih dva sistema azota-upražnjavanja biti korelirani.
Nakon što su mikrodijamanti pali uz rame uzastopno oko tri sekunde – dovoljno vremena da zapletu gravitacijom jedni druge – onda prolaze kroz drugo magnetno polje koje vraća grane svake superpozicije zajedno. Poslednji korak eksperimenta je protokol “svjedočenja svedoka” koji je razvila holandska fizičarka Barbara Terhal i ostali: Plavi i crveni dijamanti ulaze u zasebne uređaje koji mjere usmjeravanje spinova njihovih sistema za raspodjelu azota. (Mjerenje uzrokuje superposojanje da se sruši u određena stanja.) Dva ishoda se onda upoređuju. Korištenjem čitavog eksperimenta iznova i više i upoređivanjem mnogih parova mjerenja centrifugiranja, istraživači mogu utvrditi da li su spinovi dva kvantna sistema korelisani jedni sa drugima češće od poznate gornje granice za objekte koji nisu kvantno-mehanički zapleteni . U tom slučaju, slijedi da gravitacija upletava dijamante i može da održi superpozicije.
“Ono što je lijepo u vezi sa argumentima je da ne morate da znate šta je kvantna teorija, konkretno.”, rekao je Blencowe. “Sve što treba da kažete je da mora biti kvantnog aspekta za ovo polje koje posreduje sile između dvije čestice.”
Zašto je gravitacija jedinstvena
Kvantni istraživači gravitacije ne sumnjaju u to da je gravitacija kvantna interakcija, sposobna da izazove preplitanje. Naravno, gravitacija je na neki način posebna, i ima mnogo toga da se utvrdi o porijeklu prostor – vremena, ali kvantna mehanika mora biti uključena, kažu oni. “Zaista nema smisla pokušati imati teoriju u kojoj je ostatak fizike kvantni, a gravitacija je klasična”, rekao je Daniel Harlow, kvantni istraživač gravitacije na Institutu za tehnologiju u Massachusettsu. Teorijski argumenti protiv mješovitih kvantno-klasičnih modela su jaki (mada ne konačni).
S druge strane, teoretičari su ranije pogrešili, Harlow je napomenuo: “Ako možete da provjerite, zašto ne? Ako će to zatvoriti ove ljude “- što znači ljudi koji se bave pitanjem kvantnosti gravitacije -” to je sjajno “.
Dyson je napisao u elektronskoj pošti, nakon što je pročitao PRL dokumente, “Predloženi eksperiment je svakako od velikog interesa i vrijedan izvođenja sa stvarnim kvantnim sistemima.” Međutim, on je rekao da se način razmišljanja o kvantnim poljima razlikuje od njegovih. “Nije mi jasno da li će [eksperiment] rješiti pitanje da li postoji kvantna gravitacija.”, napisao je on. “Pitanje koje sam pitao, da li je jedan graviton vidljiv, je drugo pitanje i može se ispostaviti da ima drugačiji odgovor.”
Chiara Marletto, kvantni fizičar na Univerzitetu u Oksfordu, predložila je indirektan način da potvrdi da je gravitacija kvantna sila.
Zapravo, način na koji Bose, Marletto i njihovi koautori razmišljaju o kvantiziranoj gravitaciji potiče od toga kako je Bronstein to prvi put shvatio 1935. godine (Dyson je nazvao Bronsteinov rad “prelijep posao” koji on ranije nije vidio). , Bronstein je pokazao da slaba gravitacija koju proizvodi mala masa može biti aproksimirana Njutnovim zakonom gravitacije. (Ovo je sila koja djeluje između mikrodijamantskih superpozicija.) Prema Blencowe, prorađuni slabe kvantizovane gravitacije nisu razvijeni mnogo, uprkos činjenici da su fizički relevantniji od fizike crnih rupa ili Velikog praska. On se nada da će novi eksperimentalni predlog podstaći teoretičare da utvrde da li postoje neke suptilne korekcije njutonske aproksimacije koje bi budući tabletni eksperimenti mogli da saznaju.
Leonard Susskind, istaknuti kvantni gravitator i teoretičar na Univerzitetu Stanford, pokazao je vrijednost u izvođenju predloženog eksperimenta, jer “pruža osmatranje gravitacije u novom nizu masa i udaljenosti”. Međutim, on i drugi istraživači ističu da mikrodijamanti ne mogu otkriti bilo šta o punoj teoriji kvantne gravitacije ili prostora-vremena. On i njegove kolege žele da razumiju šta se dešava u centru crne rupe, i u trenutku Velikog praska.
Možda je jedan pokazatelj zašto je toliko teže da kvantizuje gravitaciju od svega ostalog da druge oblasti sila u prirodi pokazuju karakteristiku koja se zove “lokalitet”: kvantne čestice u jednom regionu polja (fotoni u elektromagnetnom polju, na primjer ) su “nezavisne od fizičkih subjekata u nekoj drugoj regiji prostora”, rekao je Mark Van Raamsdonk, kvantni teoretičar gravitacije na Univerzitetu u Britanskoj Kolumbiji. Ali “postoji barem puno teorijskih dokaza da to ne funkcioniše kao gravitacija”.
U najboljim modelima kvantne gravitacije (koji imaju geometriju prostor – vremena jednostavniju od onih u stvarnom univerzumu), nije moguće pretpostaviti da se tkanina svemirskog vremenskog razdvajanja dijeli na nezavisne 3-D komade, Van Raamsdonk rekao je. Umjesto toga, moderna teorija ukazuje na to da su osnovni, osnovni sastojci prostora “organizovani više na 2-D način.” Tkanina svemirskog vremena može biti poput holograma ili video igre: “Iako je slika trodimenzionalna , informacije se čuvaju u nekom dvodimenzionalnom računarskom čipu “, rekao je on. U tom slučaju, 3-D svijet je iluzoran u smislu da različiti dijelovi nisu sve to nezavisno. Na analogiji video igara, šaka bitova sačuvanih u 2-D čipu može kodirati globalne karakteristike svemira igre.
Razlika je važna kada pokušate da konstruišete kvantnu teoriju gravitacije. Uobičajeni pristup kvantizaciji nečega je identifikacija njegovih nezavisnih dijelova – čestica, recimo – i zatim primijeniti kvantnu mehaniku na njima. Ali ako ne identifikujete tačne sastojke, dobijate pogrešne jednačine. Direktno kvantiziranje trodimenzionalnog prostora, kako je Bronstein uradio, djeluje u izvesnoj mjeri zbog slabe gravitacije, ali metoda ne uspije kada je prostor-vrijeme visoko zakrivljeno.
Svjedočenje “osmeha” kvantne gravitacije pomoglo bi se motivaciji ovih apstraktnih linija razmišljanja, rekli su neki eksperti. Na kraju krajeva, čak i najznačajniji teorijski argumenti za postojanje kvantne gravitacije nemaju gravitaciju eksperimentalnih činjenica. Kada Van Raamsdonk objašnjava svoje istraživanje u kolokvijumu ili razgovoru, rekao je, obično mora da počne tako što kaže da gravitacija treba da se pomiri s kvantnom mehanikom, jer klasični prostorski vremenski opis ne uspeva sa crnim rupama i Velikim praskom i u mišljenju eksperimenti oko čestica koji se sudaraju pri nedopustivim visokim energijama.
Izvor: www.quantamagazine.org
