I 1935, da kvantemekanik og Einsteins generelle relativitetsteori var meget unge, foretog den ikke-så berømte sovjetiske fysiker Matvey Bronstein i en alder af 28 den første detaljerede undersøgelse af forsoningen mellem disse to teorier i kvanteteorien om tyngdekraft. Dette, "måske teorien om hele verdenen", som Bronstein skrev, kunne erstatte Einsteins klassiske tyngdekraftsbeskrivelse, hvor den ses som kurver i rumtidskontinuumet og omskrive den i kvantesprog, ligesom al anden fysik.
Bronstein regnede ud hvordan man skulle beskrive tyngdekraften med hensyn til kvantiserede partikler, nu kaldet gravitationer, men kun når tyngdekraften er svag - det vil sige (i almindelighed relativitet), når rumtiden er så svagt krummet, at den praktisk talt er flad. Når tyngdekraften er stærk, "er situationen en helt anden", skrev forskeren. "Uden en dyb revision af klassiske koncepter synes det næsten umuligt at præsentere en kvanteteori om tyngdekraft på dette område."
Hans ord var profetiske. 85 år senere forsøger fysikere stadig at forstå, hvordan rumtidskrumning manifesterer sig på en makroskopisk skala, stammende fra et mere grundlæggende og angiveligt kvantebillede af tyngdekraften; måske det dybeste spørgsmål i fysik. Måske, hvis der var en chance, ville Bronsteins lyse hoved fremskynde processen med denne søgning. Foruden kvantetyngdekraften leverede han også bidrag til astrofysik og kosmologi, halvlederteori, kvanteelektrodynamik og skrev adskillige bøger til børn. I 1938 faldt han under stalinistisk undertrykkelse og blev henrettet i en alder af 31.
Søgningen efter en komplet teori om kvantetyngdekraft kompliceres af det faktum, at tyngdekraftens kvanteegenskaber aldrig kommer til udtryk i reel oplevelse. Fysikere ser ikke, hvordan Einsteins beskrivelse af et glat rumtidskontinuum overtrædes, eller dens Bronstein-kvantetilnærmelse i en let buet tilstand.
Problemet ligger i den ekstreme svaghed ved tyngdekraften. Mens kvantiserede partikler, der transmitterer stærke, svage og elektromagnetiske kræfter, er så stærke, at de tæt binder stof til atomer og kan undersøges bogstaveligt under et forstørrelsesglas, er gravitoner hver for sig så svage, at laboratorier ikke har nogen chance for at opdage dem. For at fange et graviton med en høj grad af sandsynlighed skal partikeldetektoren være så stor og massiv, at den kollapser i et sort hul. Denne svaghed forklarer, hvorfor astronomiske masseakkumuleringer er nødvendige for at påvirke andre massive kroppe gennem tyngdekraften, og hvorfor vi ser gravitationseffekter på enorme skalaer.
Dette er ikke alt. Universet ser ud til at være genstand for en slags kosmisk censur: områder med stærk tyngdekraft - hvor rum-tidskurverne er så skarpe, at Einsteins ligninger mislykkes, og den kvante natur af tyngdekraft og rum-tid skal afsløres - gemmer sig altid bag sorte huller.
”Selv for nogle få år siden var der en generel enighed om, at det sandsynligvis var umuligt at måle kvantiseringen af tyngdefeltet på nogen måde,” siger Igor Pikovsky, en teoretisk fysiker ved Harvard University.
Salgsfremmende video:
Og her er nogle nylige artikler offentliggjort i Physical Review Letters, der har ændret situationen. Disse artikler hævder, at det kan være muligt at komme til kvantetyngdekraften - selv uden at vide noget om det. Aviserne, skrevet af Sugato Bose fra University College London og Chiara Marletto og Vlatko Vedral fra University of Oxford, tilbyder et teknisk sofistikeret, men gennemførligt eksperiment, der kunne bekræfte, at tyngdekraften er en kvantekraft som alle andre uden at kræve detektion af graviton. Miles Blencoe, en kvantefysiker ved Dartmouth College, der ikke var involveret i arbejdet, siger, at et sådant eksperiment kunne afsløre et tydeligt spor af usynlig kvantetyngdekraft - "Cheshire Cat's smil".
Det foreslåede eksperiment vil bestemme, om to objekter - Bose-gruppen planlægger at bruge et par mikrodiamanter - bliver kvantemekanisk indviklet indbyrdes i processen med gensidig gravitationsattraktion. Forviklinger er et kvantefænomen, hvor partikler bliver uadskilleligt sammenflettet og deler en enkelt fysisk beskrivelse, der definerer deres mulige kombinerede tilstande. (Sameksistensen af forskellige mulige tilstande kaldes "superposition" og definerer et kvantesystem). For eksempel kan et par sammenfiltrede partikler eksistere i en superposition, hvori partikel A vil spin fra bund til top med en 50% sandsynlighed, og B - fra top til bund, og vice versa med en 50% sandsynlighed. Ingen ved på forhånd, hvilket resultat du får, når du måler retningen på partikelsnurringen, men du kan være sikker på detat de vil have det samme.
Forfatterne hævder, at to objekter i det foreslåede eksperiment kun kan blive sammenfiltret på denne måde, hvis kraften, der virker mellem dem - i dette tilfælde tyngdekraft - er en kvanteinteraktion formidlet af gravitoner, der kan understøtte kvanteoverpositioner.”Hvis der udføres et eksperiment, og der opnås sammenfiltring, ifølge papiret, kan det konkluderes, at tyngdekraften kvantificeres,” forklarede Blenkow.
Omvikle diamanten
Kvantetyngdekraften er så subtil, at nogle forskere har sat spørgsmålstegn ved dens eksistens. Den kendte matematiker og fysiker Freeman Dyson, som er 94 år gammel, har siden 2001 argumenteret for, at universet kan understøtte en slags "dualistisk" beskrivelse, hvor "det tyngdefelt, der er beskrevet af Einsteins generelle relativitetsteori, vil være et rent klassisk felt uden nogen kvanteopførsel." og alt stof i dette glatte rum-tid kontinuum vil blive kvantificeret af partikler, der overholder reglerne for sandsynlighed.
Dyson, der var med til at udvikle kvanteelektrodynamik (teorien om samspillet mellem stof og lys) og er professor emeritus ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, mener ikke, at kvantetyngdekraft er nødvendig for at beskrive de uopnåelige dybder i sorte huller. Og han mener også, at detektering af en hypotetisk graviton principielt kan være umulig. I dette tilfælde siger han, kvantetyngdekraften vil være metafysisk og ikke fysisk.
Han er ikke den eneste skeptiske. Den berømte engelske fysiker Sir Roger Penrose og den ungarske videnskabsmand Lajos Diosi antog uafhængigt af, at rumtid ikke kunne understøtte superposition. De mener, at dens glatte, solide, grundlæggende klassiske natur forhindrer den i at bøje sig i to mulige stier på samme tid - og det er denne stivhed, der fører til sammenbrud af superpositioner af kvantesystemer som elektroner og fotoner. "Tyngdekraftsdekoherens" tillader efter deres mening, at der sker en enkelt, solid, klassisk virkelighed, som kan mærkes i en makroskopisk skala.
At finde et “smil” med kvantetyngdekraften ser ud til at tilbagevise Dysons argument. Det dræber også teorien om tyngdepunktkoherens ved at vise, at tyngdekraft og rumtid understøtter kvanteoverlejringer.
Bose og Marlettos forslag dukkede op samtidig og fuldstændigt ved et uheld, selvom eksperter bemærker, at de afspejler tidsånden. Eksperimentelle kvantefysiklaboratorier rundt om i verden lægger stadig større mikroskopiske objekter i kvanteoverlejringer og optimerer testprotokoller til sammenfiltring af to kvantesystemer. Det foreslåede eksperiment skulle være nødvendigt at kombinere disse procedurer, mens det kræver yderligere forbedringer i skala og følsomhed; det kan tage ti år. "Men der er ingen fysisk blindgyde," siger Pikovsky, der også undersøger, hvordan laboratorieeksperimenter kan undersøge gravitationsfænomener. "Jeg synes, det er vanskeligt, men ikke umuligt."
Denne plan er nærmere beskrevet i Bose et al. Ocean's elleve eksperter for forskellige faser af forslaget. For eksempel arbejder medforfatter Gavin Morley i sit laboratorium på University of Warwick på den første fase og forsøger at placere et mikrodiamond i en kvantesuperposition to steder. For at gøre dette vil han omslutte et nitrogenatom i en mikrodiamant ved siden af en ledig stilling i diamantstrukturen (det såkaldte NV-center eller en nitrogen-substitueret ledighed i en diamant) og oplade den med en mikrobølgeimpuls. En elektron, der roterer rundt om NV-centret, absorberer samtidig lys og gør det ikke, og systemet går ind i en kvantesuperposition af to spinretninger - op og ned - som en top, der roterer med uret med en vis sandsynlighed og mod uret med en vis sandsynlighed. En mikrodiamant, der er fyldt med denne superposition-spin, udsættes for et magnetfelt,hvilket får den øverste drejning til at flytte til venstre og den nederste spin til højre. Selve diamanten er opdelt i en superposition af to baner.
I et fuldt eksperiment skal forskere gøre alt dette med to diamanter - rød og blå, siger - placeret side om side i et ultrakaldt vakuum. Når fælden, der holder dem slukket, falder to mikrodiamanter, hver i en superposition af to positioner, lodret i et vakuum. Når diamanter falder, vil de føle tyngdekraften hos hver af dem. Hvor stærk vil deres tyngdekraft være?
Hvis tyngdekraften er en kvanteinteraktion, er svaret: afhængigt af hvad. Hver komponent i den blå diamantsuperposition vil opleve en stærkere eller svagere tiltrækning til den røde diamant, afhængigt af om sidstnævnte befinder sig i superpositionsgrenen, der er nærmere eller længere væk. Og tyngdekraften, som hver komponent i superpositionen af en rød diamant vil føle, afhænger ligeledes af tilstanden af den blå diamant.
I begge tilfælde påvirker forskellige grader af gravitationsattraktion de udviklende komponenter i diamantsuperpositioner. To diamanter bliver indbyrdes afhængige, fordi deres stater kun kan bestemmes i kombination - hvis det betyder, at - i sidste ende korrigerer retningen for spins i de to systemer i NV-centre.
Efter at mikrodiamonnerne falder side om side i tre sekunder - nok til at blive sammenfiltret i tyngdekraften - passerer de gennem et andet magnetfelt, som igen vil justere grenene i hver superposition. Det sidste trin i eksperimentet er den sammenfiltrede vidneprotokol, der er udviklet af den danske fysiker Barbara Teral og andre: blå og røde diamanter kommer ind i forskellige enheder, der måler spin-retningerne i NV-center-systemer. (Måling fører til sammenbrud af superpositioner i visse tilstande). Derefter sammenlignes de to resultater. Ved at køre eksperimentet igen og igen og sammenligne flere par spinmålinger, kan videnskabsmænd bestemme, om spinnene i to kvantesystemer faktisk var korreleret med hinanden oftere end at definere en øvre grænse for objekter, der ikke er kvantemekanisk sammenfiltret. Hvis så,tyngdekraften indvikler diamanter og kan opretholde superposition.
”Det, der er interessant ved dette eksperiment, er, at du ikke behøver at vide, hvad kvanteteori er,” siger Blenkow. "Alt, hvad der er nødvendigt, er at hævde, at der er et bestemt kvanteaspekt i dette område, der er formidlet af kraften mellem de to partikler."
Der er mange tekniske vanskeligheder. Det største objekt, der er blevet overlejret to steder før, er et 800-atommolekyle. Hver mikrodiamant indeholder over 100 milliarder carbonatomer - nok til at opbygge en håndgribelig tyngdekraft. Udpakning af dens kvantemekaniske karakter kræver lave temperaturer, dybt vakuum og præcis kontrol.”Der er meget arbejde involveret i at indstille den oprindelige superposition og udløse,” siger Peter Barker, medlem af et eksperimentelt team, der forbedrer laserkøling og mikro-diamantfangstteknikker. Hvis det kunne gøres med en diamant, tilføjer Bose, "den anden vil ikke være et problem."
Hvad gør tyngdekraften unik?
Kvantetyngdekraftforskere er ikke i tvivl om, at tyngdekraften er en kvanteinteraktion, der kan forårsage sammenfiltring. Naturligvis er tyngdekraften noget unik, og der er stadig meget at lære om oprindelsen af rum og tid, men kvantemekanik bør bestemt være involveret, siger forskere. "Hvad er poenget i en teori, hvor meget af fysikken er kvante og tyngdekraften er klassisk," siger Daniel Harlow, en forsker på kvantetyngdekraften ved MIT. De teoretiske argumenter mod blandede kvante-klassiske modeller er meget stærke (selvom de ikke er afgørende).
På den anden side har teoretikere været forkerte før.”Hvis du kan tjekke, hvorfor ikke? Hvis det dæmper disse mennesker, der sætter spørgsmålstegn ved tyngdekraften, ville det være godt,”sagde Harlow.
Efter at have læst artiklerne skrev Dyson: "Det foreslåede eksperiment er uden tvivl af stor interesse og kræver, at det udføres under betingelserne for et reelt kvantesystem." Han bemærker dog, at forfatterens tankeretning om kvantefelter er anderledes end hans.”Det er ikke klart for mig, om dette eksperiment vil være i stand til at løse spørgsmålet om eksistensen af kvantetyngdekraft. Det spørgsmål, jeg stillede - om vi observerer et separat graviton - er et andet spørgsmål, og det kan have et andet svar."
Tankegangen til Bose, Marletto og deres kolleger om kvantiseret tyngdekraft stammer fra Bronsteins arbejde allerede i 1935. (Dyson kaldte Bronsteins arbejde "smukt værk", som han ikke havde set før). Bronstein viste især, at svag tyngdekraft genereret af lav masse kan tilnærmes ved Newtons gravitation. (Dette er den kraft, der virker mellem superpositioner af mikrodiamanter). Ifølge Blencoe er beregninger af svag kvantiseret tyngdekraft ikke blevet udført særlig, selvom de bestemt er mere relevante end fysik i sorte huller eller Big Bang. Han håber, at det nye eksperimentelle forslag vil tilskynde teoretikere til at søge efter subtile forbedringer til den newtonske tilnærmelse, hvilket fremtidige bordpladeeksperimenter muligvis vil prøve at teste.
Leonard Susskind, en berømt kvantetyngdekraft og strengteoretiker ved Stanford University, så værdien af det foreslåede eksperiment, fordi "det giver observationer af tyngdekraften over en ny række masser og afstande." Men han og andre forskere understregede, at mikrodiamanter ikke kan afsløre noget om en komplet teori om kvantetyngdekraft eller rumtid. Han og hans kolleger vil gerne forstå, hvad der sker midt i et sort hul og på tidspunktet for Big Bang.
En af ledetrådene til, hvorfor tyngdekraften er så meget sværere at kvantificere end noget andet, er måske, at andre naturkræfter har såkaldt "lokalitet": kvantepartikler i en region af feltet (fotoner i et elektromagnetisk felt, for eksempel) er "uafhængige af andre fysiske enheder i et andet rumområde,”siger Mark van Raamsdonk, en teoretiker for kvantetyngdekraft ved University of British Columbia. "Men der er mange teoretiske beviser for, at tyngdekraften ikke fungerer på den måde."
I de bedste sandmodeller med kvantetyngdekraft (med forenklet rum-tidsgeometri) er det umuligt at antage, at tape-rum-tid-stoffet er opdelt i uafhængige tredimensionelle stykker, siger van Raamsdonk. I stedet antyder moderne teori, at de underliggende, grundlæggende bestanddele af rummet er "snarere todimensionelt organiseret." Rumtidens stof kan være som et hologram eller et videospil. "Selvom billedet er tredimensionelt, gemmes oplysningerne på en to-dimensionel computerchip." I dette tilfælde vil den tredimensionelle verden være en illusion i den forstand, at dens forskellige dele ikke er så uafhængige. I lighed med et videospil kan et par stykker på en todimensionel chip kode for de globale funktioner i hele spiluniverset.
Og denne forskel betyder noget, når du prøver at skabe en kvanteteori om tyngdekraft. Den sædvanlige tilgang til at kvantificere noget er at definere dets uafhængige dele - for eksempel partikler - og derefter anvende kvantemekanik på dem. Men hvis du ikke identificerer de korrekte bestanddele, ender du med de forkerte ligninger. Den direkte kvantisering af det tredimensionelle rum, som Bronstein ønskede at udføre, fungerer til en vis grad med svag tyngdekraft, men viser sig at være ubrugelig, når rumtiden er meget buet.
Nogle eksperter siger, at bevidsthed om”smilet” ved kvantetyngdekraft kan motivere til denne form for abstrakt resonnement. Når alt kommer til alt understøttes selv de højeste teoretiske argumenter om eksistensen af kvantetyngdekraft ikke af eksperimentelle beviser. Når van Raamsdonk forklarer sin forskning i et kollokvium af videnskabsmænd, siger han, begynder det normalt med at fortælle, hvordan tyngdekraften skal tænkes om med kvantemekanik, fordi den klassiske beskrivelse af rumtid bryder sammen ved sorte huller og Big Bang.
”Men hvis du udfører dette enkle eksperiment og viser, at tyngdefeltet var i superposition, bliver den klassiske beskrivelses fiasko indlysende. Fordi der vil være et eksperiment, der indebærer, at tyngdekraften er kvant."
Baseret på materiale fra Quanta Magazine
Ilya Khel
