Mums ir viss iemesls uzskatīt, ka smagums pēc savas būtības ir kvantu teorija. Bet kā mēs to varam uz visiem laikiem pierādīt? Par to runā dr. Sabina Nossenfelder, teorētiskā fiziķe, kvantu gravitācijas un lielas enerģijas fizikas eksperte. Tālāk no pirmās personas.
Ja jums ir laba redze, vismazākie redzamie objekti būs apmēram viena milimetra desmitā daļa: apmēram cilvēka matu platumā. Pievienojiet tehnoloģiju, un mazākā struktūra, ko mēs līdz šim esam spējuši izmērīt, bija aptuveni 10–19 metri, kas ir LHC sadursto protonu viļņa garums. Bija vajadzīgi 400 gadi, sākot no primitīvākā mikroskopa līdz LHC uzbūvei - četrpadsmit gadsimtu uzlabojumam par 15 lielumiem.
Tiek lēsts, ka smaguma spēka kvantu ietekme būs būtiska, ja attāluma skala ir aptuveni 10-35 metri, kas pazīstama kā Planka garums. Tas ir vēl 16 lieluma ceļa posms vai cits koeficients 1016 sadursmes enerģijas izteiksmē. Tas liek aizdomāties, vai tas vispār ir iespējams, vai arī visi centieni atrast gravitācijas kvantu teoriju uz visiem laikiem paliks dīkstāvē.
Esmu optimiste. Zinātnes vēsture ir pilna ar cilvēkiem, kuri domāja, ka daudz kas nav iespējams, bet patiesībā izrādījās tieši otrādi: mēra gaismas novirzi saules gravitācijas laukā, mašīna ir smagāka par gaisu, nosaka gravitācijas viļņus. Tāpēc es neuzskatu par neiespējamu eksperimentāli pārbaudīt kvantu gravitāciju. Var paiet desmitiem vai simtiem gadu, bet, ja mēs turpināsim kustēties, mēs kādu dienu varētu izmērīt kvantu gravitācijas ietekmi. Ne vienmēr tieši sasniedzot nākamos 16 lieluma lielumus, bet gan tieši netieši atklājot zemākas enerģijas.
Bet no nekā nekas nedzimst. Ja mēs nedomājam par to, kā varētu izpausties kvantu gravitācijas ietekme un kur tie varētu parādīties, mēs noteikti tos nekad neatradīsim. Manu optimismu veicina pieaugošā interese par kvantu gravitācijas fenomenoloģiju - pētījumu jomu, kas veltīta tam, kā vislabāk meklēt kvantu gravitācijas efektu izpausmes.
Tā kā kvantu gravitācijai nav izgudrota neviena konsekventa teorija, pašreizējie centieni atrast novērojamas parādības ir vērsti uz to, lai atrastu veidus, kā pārbaudīt teorijas vispārējās iezīmes, meklējot īpašības, kuras ir atrastas dažādajās pieejās kvantu gravitācijai. Piemēram, kvantu svārstības kosmosa laikā vai "minimālā garuma" klātbūtne, kas iezīmēs galveno izšķirtspējas robežu. Šādus efektus varēja noteikt, izmantojot matemātiskos modeļus, un tad varēja novērtēt šo iespējamo efektu stiprumu un saprast, kuri eksperimenti varētu dot vislabākos rezultātus.
Kvantu gravitācijas pārbaude jau sen tiek uzskatīta par nepieejamu no eksperimentiem, spriežot pēc aplēsēm, mums ir vajadzīgs Piena ceļa lieluma collideris, lai pietiekami paātrinātu protonus, lai iegūtu izmērāmu gravitonu daudzumu (gravitācijas lauka kvanti), vai gravitonu mērīšanai mums ir nepieciešams Jupitera lieluma detektors. kas dzimst visur. Nav neiespējami, bet noteikti arī ne kaut kas tāds, kas gaidāms tuvākajā nākotnē.
Reklāmas video:
Šādi argumenti tomēr attiecas tikai uz gravitonu tiešu noteikšanu, un tas nav vienīgais kvantu gravitācijas ietekmes izpausme. Ir daudzas citas novērojamas sekas, kuras var radīt kvantu gravitācija, no kurām dažas mēs jau esam meklējuši, un dažas no tām mēs plānojam meklēt. Pagaidām mūsu rezultāti ir tikai negatīvi. Bet pat negatīvie ir vērtīgi, jo tie mums saka, kādas īpašības teorijai mums var nebūt.
Piemēram, vienas pārbaudāmās kvantu gravitācijas sekas var būt simetrijas pārtraukšana, kas ir būtiskas īpašai un vispārējai relativitātei, kas pazīstama kā Lorenca invariance. Interesanti, ka Lorenca invariances pārkāpumi nebūt nav mazi, pat ja tie ir izveidoti no attāluma, kas ir pārāk mazs, lai tos novērotu. No otras puses, simetrijas pārrāvums ar neticami precīzām precizitātēm caurstrāvos daudzo daļiņu reakciju pie pieejamajām enerģijām. Pagaidām nav atrasti pierādījumi par Lorenca invariances pārkāpumiem. Tas var šķist niecīgs, taču, zinot, ka šī simetrija ir jāievēro ar visaugstāko precizitāti kvantu gravitācijā, varat to izmantot, izstrādājot teoriju.
Citas pārbaudāmās sekas varētu būt vājā kvantu gravitācijas laukā. Agrīnajā Visumā kvantu svārstībām telpā-laikā vajadzēja izraisīt temperatūras svārstības, kas rodas matērijā. Šīs temperatūras svārstības tiek novērotas mūsdienās, tās tiek iespiestas fona starojumā (CMB). "Primāro gravitācijas viļņu" nospiedums uz kosmiskās mikroviļņu fona vēl nav izmērīts (LIGO tam nav pietiekami jūtīgs), taču sagaidāms, ka tas ir viena līdz divu lielumu diapazonā no pašreizējās mērīšanas precizitātes. Šī signāla meklējumos, piemēram, BICEP, POLARBEAR un Planck Observatory, tiek veikti daudzi eksperimentāli sadarbības veidi.
Vēl viens veids, kā pārbaudīt vājā kvantu gravitācijas lauka robežu, ir mēģināt kvantu superpozīcijā ieviest lielus objektus: objektus, kas ir daudz smagāki par elementārdaļiņām. Tas padarīs gravitācijas lauku spēcīgāku un potenciāli pārbaudīs tā kvantu izturēšanos. Smagākie objekti, kurus mums līdz šim ir izdevies piesiet superpozīcijai, sver apmēram nanogrammu, kas ir par vairākām kārtām mazāks nekā nepieciešams gravitācijas lauka mērīšanai. Bet nesen zinātnieku grupa Vīnē ierosināja eksperimentālu shēmu, kas ļautu mums daudz precīzāk nekā iepriekš izmērīt gravitācijas lauku. Mēs lēnām tuvojamies kvantu gravitācijas diapazonam.
(Paturiet prātā, ka šis termins atšķiras astrofizikā, kur "spēcīgais smagums" dažreiz tiek izmantots, lai atsauktos uz kaut ko citu, piemēram, lielām novirzēm no Ņūtona gravitācijas, kuras var atrast netālu no melnā cauruma notikumu horizonta.)
Spēcīgā kvantu gravitācijas ietekme arī varētu atstāt iespaidu (izņemot vāju lauka efektu) CMB (relikts starojums), jo īpaši korelāciju tipā, ko var atrast starp svārstībām. Pastāv dažādi virkņu kosmoloģijas un kvantu cilpas kosmoloģijas modeļi, kas pēta novērojamas sekas, un ierosināti eksperimenti, piemēram, EUCLID, PRISM un pēc tam WFIRST var atrast agrīnas norādes.
Ir vēl viena interesanta ideja, kuras pamatā ir nesenais teorētiskais atradums, saskaņā ar kuru matērijas gravitācijas sabrukums ne vienmēr veido melno caurumu - visa sistēma ļaus izvairīties no horizonta veidošanās. Ja tā, tad atlikušais objekts dod mums skatu uz reģionu ar kvantu gravitācijas efektiem. Tomēr nav skaidrs, kādus signālus mums vajadzētu meklēt, lai atrastu šādu objektu, taču tas ir daudzsološs meklēšanas virziens.
Ideju ir ļoti daudz. Liela modeļu klase izskata iespēju, ka kvantu gravitācijas efekti kosmosa laiku piešķir barotnes īpašībām. Tas var izraisīt gaismas izkliedi, birefringenitāti, saskaņotību vai tukšas telpas necaurspīdīgumu. Par visu nevar pateikt uzreiz. Bet, bez šaubām, vēl ir daudz darāmā. Pierādījumu meklēšana, ka gravitācija patiešām ir kvantu spēks, jau ir sākusies.
ILYA KHEL