Vi har al grund til at tro, at tyngdekraften i sagens natur er en kvanteteori. Men hvordan kan vi bevise dette en gang for alle? Dr. Sabina Nossenfelder, en teoretisk fysiker, en ekspert inden for kvantetyngdekraft og højenergifysik, fortæller om dette. Længere fra den første person.
Hvis du har et godt syn, vil de mindste genstande, du kan se, være omkring en tiendedel af en millimeter: omkring bredden af et menneskehår. Tilføj teknologi, og den mindste struktur, vi hidtil har været i stand til at måle, var ca. 10-19 meter, hvilket er bølgelængden for protoner, der kolliderer ved LHC. Det tog os 400 år at gå fra det mest primitive mikroskop til konstruktionen af LHC - en forbedring af 15 størrelsesordener over fire århundreder.
De kvantevirkninger af tyngdekraften anslås at blive relevante ved afstandsskalaer på ca. 10-35 meter, kendt som Planck-længden. Dette er yderligere 16 størrelsesordener eller en anden faktor på 1016 med hensyn til kollisionenergi. Dette får dig til at undre dig over, om dette overhovedet er muligt, eller om alle bestræbelser på at finde en kvanteteori om tyngdekraft for evigt forbliver inaktiv fiktion.
Jeg er optimist. Videnskabshistorien er fuld af mennesker, der troede, at meget var umuligt, men i virkeligheden viste det sig at være omvendt: måling af lysafbøjning i solens tyngdefelt, maskiner tungere end luft, detektering af tyngdekraftsbølger. Derfor finder jeg det ikke umuligt at eksperimentelt teste kvantetyngdekraften. Det kan tage flere eller flere hundrede år - men hvis vi fortsætter med at bevæge os, kan vi måske en dag måle virkningerne af kvantetyngdekraften. Ikke nødvendigvis ved direkte at nå de næste 16 størrelsesordener, men snarere ved indirekte detektion ved lavere energier.
Men ud af intet fødes intet. Hvis vi ikke tænker over, hvordan virkningerne af kvantetyngdekraft kan manifestere sig, og hvor de kan vises, vil vi bestemt aldrig finde dem. Min optimisme er drevet af en voksende interesse for fænomenologien af kvantetyngdekraft, et forskningsområde, der er afsat til undersøgelsen af, hvordan man bedst kan se efter manifestationer af kvantetyngdekrafteffekter.
Da ingen konsistent teori er opfundet for kvantetyngdekraft, fokuseres de nuværende bestræbelser på at finde observerbare fænomener på at finde måder at teste de generelle træk ved teorien ved at kigge efter egenskaber, der er fundet i nogle forskellige tilgange til kvantetyngdekraften. F.eks. Kvantefluktuationer i rumtid eller tilstedeværelsen af en "minimumslængde", der markerer den grundlæggende opløsningsgrænse. Sådanne effekter kunne bestemmes ved hjælp af matematiske modeller, og derefter kunne styrken af disse mulige effekter estimeres og for at forstå, hvilke eksperimenter der kunne give de bedste resultater.
Test af kvantetyngdekraft er længe blevet betragtet uden for rækkevidde af eksperimenter, vurderet efter skøn, vi har brug for en kollider på størrelse med Mælkevejen til at accelerere protoner nok til at producere en målbar mængde gravitationer (kvantat af gravitationsfeltet), eller vi har brug for en detektor på størrelse med Jupiter til at måle gravitoner der er født overalt. Ikke umuligt, men bestemt ikke noget, der bør forventes i den nærmeste fremtid.
Salgsfremmende video:
Sådanne argumenter vedrører imidlertid kun direkte detektion af gravitoner, og dette er ikke den eneste manifestation af virkningerne af kvantetyngdekraften. Der er mange andre observerbare konsekvenser, som kvantetyngdekraften kan rejse, hvoraf nogle vi allerede har kigget efter, og andre planlægger vi at se efter. Indtil videre er vores resultater rent negative. Men selv negative er værdifulde, fordi de fortæller os, hvilke egenskaber den teori, vi har brug for, måske ikke har.
En testbar konsekvens af kvantetyngdekraften, for eksempel, kan være symmetribrud, grundlæggende for særlig og generel relativitet, kendt som Lorentz invariance. Interessant nok er overtrædelserne af Lorentz invariance ikke nødvendigvis små, selvom de oprettes i afstande, der er for små til at blive observeret. Symmetriafbrydning på den anden side vil sive gennem reaktionerne fra mange partikler ved tilgængelige energier med utrolig præcision. Der er endnu ikke fundet noget bevis for overtrædelser af Lorentz invariance. Det kan virke sparsomt, men vel vidende om, at denne symmetri skal overholdes med den højeste grad af nøjagtighed i kvantetyngdekraft, kan du bruge dette til at udvikle en teori.
Andre testbare konsekvenser kan være inden for det svage felt af kvantetyngdekraften. I det tidlige univers burde kvantumsvingninger i rumtid have ført til temperatursvingninger, der opstod i stof. Disse temperatursvingninger observeres i dag, idet de er præget i baggrundsstrålingen (CMB). Aftrykket af "primære gravitationsbølger" på den kosmiske mikrobølgebakgrund er endnu ikke målt (LIGO er ikke følsom nok til det), men det forventes at være inden for et til to størrelsesordener for den aktuelle målepræcision. Mange eksperimentelle samarbejder arbejder på at søge efter dette signal, herunder BICEP, POLARBEAR og Planck-observatoriet.
En anden måde at teste grænsen for det svage felt med kvantetyngdekraft er at forsøge at introducere store objekter i en kvantesuperposition: objekter, der er meget tungere end elementære partikler. Dette vil gøre gravitationsfeltet stærkere og potentielt teste dets kvanteopførsel. De tyngste genstande, som vi hidtil har formået at binde til en superposition, vejer omkring et nanogram, som er flere størrelsesordener mindre end det tager at måle tyngdefeltet. Men for nylig foreslog en gruppe forskere i Wien et eksperimentelt skema, der ville give os mulighed for at måle tyngdefeltet meget mere nøjagtigt end før. Vi nærmer os langsomt kvantetyngdekraftsområdet.
(Husk, at dette udtryk adskiller sig fra astrofysik, hvor "stærk tyngdekraft" undertiden bruges til at henvise til noget andet, såsom store afvigelser fra Newtonsk tyngdekraft, der kan findes i nærheden af sort hulhændelseshorisonter.)
De stærke effekter af kvantetyngdekraft kan også efterlade et aftryk (bortset fra svage felteffekter) i CMB (relikstråling), især i den type korrelationer, der kan findes mellem udsving. Der er forskellige modeller af strengkosmologi og kvanteløkkenkosmologi, der studerer observerbare konsekvenser og foreslåede eksperimenter som EUCLID, PRISM og derefter WFIRST kan muligvis finde tidlige indikationer.
Der er en anden interessant idé, der er baseret på en nylig teoretisk konstatering, hvorefter materiens gravitations-sammenbrud muligvis ikke altid danner et sort hul - hele systemet vil undgå dannelse af horisonten. Hvis dette er tilfældet, vil det resterende objekt give os et overblik over regionen med kvantegravitationseffekter. Det er imidlertid ikke klart, hvilke signaler vi skal se efter for at finde et sådant objekt, men dette er en lovende søgeretning.
Der er mange ideer. En stor klasse af modeller beskæftiger sig med muligheden for, at kvante gravitationseffekter giver rumtid med egenskaberne ved et medium. Dette kan føre til lysspredning, dobbeltbrydelse, decoherence eller uigennemsigtighed i rummet. Du kan ikke fortælle om alt på én gang. Men uden tvivl er der stadig meget, der skal gøres. Søgningen efter bevis for, at tyngdekraften virkelig er en kvantekraft er allerede begyndt.
ILYA KHEL