1935. gadā, kad kvantu mehānika un Einšteina vispārējā relativitātes teorija bija ļoti jauna, ne tik slavenais padomju fiziķis Matvei Bronšteins 28 gadu vecumā veica pirmo detalizēto pētījumu par šo divu teoriju saskaņošanu kvantu gravitācijas teorijā. Šī, "varbūt visas pasaules teorija", kā rakstīja Bronšteins, varētu aizstāt Einšteina klasisko gravitācijas aprakstu, kurā tas tiek uztverts kā līknes telpas-laika kontinuācijā, un pārrakstīt to kvantu valodā, tāpat kā visu citu fiziku.
Bronšteins izdomāja, kā aprakstīt gravitāciju kvantētu daļiņu veidā, ko tagad sauc par gravitoniem, bet tikai tad, kad gravitācijas spēks ir vājš - tas ir (vispārējā relativitātē), kad kosmosa laiks ir tik vāji izliekts, ka tas ir praktiski plakans. Kad smagums ir spēcīgs, "situācija ir pilnīgi atšķirīga", rakstīja zinātnieks. "Bez dziļas klasisko jēdzienu pārskatīšanas šķiet gandrīz neiespējami šajā jomā iesniegt kvantu gravitācijas teoriju."
Viņa vārdi bija pravietiski. Astoņdesmit trīs gadus vēlāk fiziķi joprojām mēģina saprast, kā kosmosa laika izliekums izpaužas makroskopiskā mērogā, kas izriet no fundamentālāka un domājams kvantu gravitācijas attēla; iespējams, dziļākais jautājums fizikā. Varbūt, ja būtu iespēja, Bronšteina gaišā galva paātrinātu šīs meklēšanas procesu. Papildus kvantu gravitācijai viņš arī sniedza ieguldījumu astrofizikā un kosmoloģijā, pusvadītāju teorijā, kvantu elektrodinamikā un rakstīja vairākas grāmatas bērniem. 1938. gadā viņš nonāca Staļina represijās un tika izpildīts 31 gada vecumā.
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.
Problēma slēpjas gravitācijas spēka galējā vājumā. Kamēr kvantētās daļiņas, kas pārraida spēcīgus, vājus un elektromagnētiskus spēkus, ir tik spēcīgas, ka tās cieši sasaista vielas atomos un tās var burtiski pārbaudīt zem palielināmā stikla, gravitoni atsevišķi ir tik vāji, ka laboratorijām nav iespējas tos atklāt. Lai noķertu gravitonu ar lielu varbūtības pakāpi, daļiņu detektoram jābūt tik lielam un masīvam, ka tas sabrūk melnajā caurumā. Šis vājums izskaidro, kāpēc ir nepieciešami astronomiski masu uzkrājumi, lai gravitācijas ietekmē ietekmētu citus masīvos ķermeņus, un kāpēc mēs redzam gravitācijas efektus milzīgos mērogos.
Tas vēl nav viss. Šķiet, ka Visums piedzīvo zināmu kosmisko cenzūru: spēcīgas gravitācijas zonas - kur telpas-laika līknes ir tik asas, ka Einšteina vienādojumi neizdodas, un ir jāatklāj gravitācijas un telpas-laika kvantu raksturs - vienmēr slēpjas aiz melno caurumu horizonta.
“Vēl pirms dažiem gadiem bija vispārējs konsenss, ka visdrīzāk nekādā veidā nav iespējams izmērīt gravitācijas lauka kvantāciju,” saka Hārvarda universitātes teorētiskais fiziķis Igors Pikovskis.
Reklāmas video:
Un šeit ir daži neseni raksti, kas publicēti Physical Review Letters un kas ir mainījuši situāciju. Šie dokumenti liek apgalvot, ka var būt iespējams nokļūt kvantu gravitācijā - pat neko par to nezinot. Rakstos, ko rakstījuši Sugato Bose no Londonas Universitātes koledžas, kā arī Siara Marletto un Vlatko Vedral no Oksfordas universitātes, tiek ierosināts tehniski izaicinošs, bet realizējams eksperiments, kas varētu apstiprināt, ka gravitācija ir kvantu spēks kā visiem citiem, nepieprasot gravitona noteikšanu. Miless Blenko, Dartmutas koledžas kvantu fiziķis, kurš nebija iesaistīts darbā, saka, ka šāds eksperiments varētu atklāt skaidras neredzamās kvantu gravitācijas pēdas - "Češīras kaķa smaidu".
Piedāvātais eksperiments noteiks, vai divi objekti - Bose grupa plāno izmantot mikrodimantu pāri - savstarpēji gravitācijas pievilcības procesā savā starpā kvantu mehāniski iespīlē. Sapīšanās ir kvantu parādība, kurā daļiņas kļūst nedalāmi savstarpēji saistītas, daloties vienā fiziskā aprakstā, kas nosaka to iespējamos kombinētos stāvokļus. (Dažādu iespējamo stāvokļu līdzāspastāvēšanu sauc par "superpozīciju" un nosaka kvantu sistēmu). Piemēram, superpozīcijā var pastāvēt sapinušos daļiņu pāris, kurā daļiņa A griezīsies no apakšas uz augšu ar 50% varbūtību un B - no augšas uz leju un otrādi ar 50% varbūtību. Neviens iepriekš nezina, kādu rezultātu jūs iegūsit, izmērot daļiņu griešanās virzienu, taču jūs varat būt pārliecinātska viņiem būs tāpat.
Autori apgalvo, ka divi ierosinātā eksperimenta objekti šādā veidā var tikt sapinušies tikai tad, ja spēks, kas starp tiem darbojas - šajā gadījumā gravitācija - ir kvantu mijiedarbība, ko mediē gravitoni un kas var atbalstīt kvantu superpozīcijas. "Ja tiek veikts eksperiments un iegūta sapinšanās, saskaņā ar pētījumu var secināt, ka gravitācija ir kvantitatīva," skaidroja Blenkovs.
Sapīt dimantu
Kvanta gravitācija ir tik smalka, ka daži zinātnieki ir apšaubījuši tā esamību. Pazīstamais matemātiķis un fiziķis Freeman Dyson, kurš ir 94 gadus vecs, kopš 2001. gada ir apgalvojis, ka Visums var atbalstīt sava veida "duālisma" aprakstu, kurā "Einšteina vispārējās relativitātes teorijas aprakstītais gravitācijas lauks būs tīri klasisks lauks bez jebkādas kvantu uzvedības". un visu matēriju šajā vienmērīgajā telpas-laika kontinuumā kvantizēs daļiņas, kas pakļaujas varbūtības likumiem.
Disons, kurš palīdzēja attīstīt kvantu elektrodinamiku (matērijas un gaismas mijiedarbības teoriju) un ir profesors, emeritēts Papildu pētījumu institūtā Prinstonā, Ņūdžersijā, neuzskata, ka kvantu gravitācija ir nepieciešama, lai aprakstītu nepieejamos melno caurumu dziļumus. Un viņš arī uzskata, ka hipotētiska gravitona noteikšana principā var būt neiespējama. Šajā gadījumā, viņš saka, kvantu gravitācija būs metafiziska, nevis fiziska.
Viņš nav vienīgais skeptiķis. Slavenais angļu fiziķis Sers Rodžers Penrozs un ungāru zinātnieks Lajos Diosi patstāvīgi pieņēma, ka telpas laiks nevar atbalstīt superpozīciju. Viņi uzskata, ka tā vienmērīgā, cietā, principiāli klasiskā daba neļauj tai saliekties divos iespējamos ceļos vienlaikus - un tieši šī stingrība noved pie kvantu sistēmu, piemēram, elektronu un fotonu, superpozīciju sabrukšanas. Pēc viņu domām, “gravitācijas nošķirtība” ļauj notikt vienotai, cietai, klasiskai realitātei, ko var sajust makroskopiskā mērogā.
Kvantu gravitācijas “smaida” atrašana, šķiet, atspēko Deisona argumentu. Tas arī iznīcina gravitācijas nošķirtības teoriju, parādot, ka gravitācija un kosmosa laiks atbalsta kvantu superpozīcijas.
Bose un Marletto priekšlikumi parādījās vienlaikus un pilnīgi nejauši, lai gan eksperti atzīmē, ka tie atspoguļo laikmeta garu. Eksperimentālās kvantu fizikas laboratorijas visā pasaulē kvantu superpozīcijās ievieto arvien lielākus mikroskopiskos objektus un optimizē testa protokolus divu kvantu sistēmu savilkšanai. Ierosinātajam eksperimentam būs jāapvieno šīs procedūras, vienlaikus pieprasot turpmākus uzlabojumus mērogā un jutīgumā; var paiet desmit gadi. "Bet fiziska strupceļa nav," saka Pikovskis, kurš arī pēta, kā laboratorijas eksperimenti varētu noteikt gravitācijas parādības. "Es domāju, ka tas ir grūti, bet ne neiespējami."
Šis plāns ir sīkāk ieskicēts Bose et al., Okeāna vienpadsmit ekspertu darbā dažādos priekšlikuma posmos. Piemēram, savā laboratorijā Vorikas universitātē līdzautors Gavins Morlijs strādā pie pirmās skatuves, mēģinot ievietot mikrodimantu kvantu superpozīcijā divās vietās. Lai to izdarītu, viņš blakus dimanta struktūrā esošajai vakancei (tā sauktajam NV centram vai dimanta slāpekļa aizvietotajai vakancei) iesprauž slāpekļa atomu mikrodimantā un uzlādē to ar mikroviļņu impulsu. Elektrons, kas rotē ap NV centru, vienlaicīgi absorbē gaismu un neuztver, un sistēma nonāk divu griešanās virzienu kvantu superpozīcijā - uz augšu un uz leju - kā augšdaļa, kas rotē pulksteņrādītāja virzienā ar noteiktu varbūtību un pretēji pulksteņrādītāja virzienam ar noteiktu varbūtību. Mikrodimantu, kas piekrauts ar šo superpozīcijas griezienu, pakļauj magnētiskajam laukam,kas liek augšējam griezienam virzīties pa kreisi, bet apakšējam - griezties pa labi. Pats dimants ir sadalīts divu trajektoriju superpozīcijā.
Pilna eksperimenta laikā zinātniekiem tas viss jādara ar diviem dimantiem - teiksim sarkanu un zilu -, kas atrodas viens otram blakus ultravioletā vakuumā. Kad slazds, kas tos tur, izslēdzas, divi mikrodimanti, katrs no tiem atrodoties divās pozīcijās, vakuumā kritīs vertikāli. Kad dimanti nokrīt, viņi jutīs katra no tiem smagumu. Cik spēcīga būs viņu gravitācijas spēks?
Ja gravitācija ir kvantu mijiedarbība, atbilde ir: atkarībā no tā. Katra zila dimanta superpozīcijas sastāvdaļa piedzīvos stiprāku vai vājāku sarkanā dimanta pievilcību atkarībā no tā, vai pēdējais atrodas superpozīcijas zarā, kas atrodas tuvāk vai tālāk. Un smagums, ko jutīs katrs sarkanā dimanta superpozīcijas elements, ir līdzīgi atkarīgs no zilā dimanta stāvokļa.
Katrā ziņā atšķirīgas gravitācijas pievilcības pakāpes ietekmē dimanta superpozīciju jaunveidojumus. Divi dimanti kļūst savstarpēji atkarīgi, jo to stāvokļus var noteikt tikai kombinācijā - ja tas nozīmē, ka - tāpēc galu galā NV centru divu sistēmu griešanās virzieni būs savstarpēji saistīti.
Pēc tam, kad mikrodimanti trīs sekundes nokrīt līdzās - pietiekami, lai iesprauktos smagumā -, tie izies caur citu magnētisko lauku, kas atkal izlīdzinās katra superpozīcijas zarus. Pēdējais eksperimenta solis ir sapīšanās liecinieku protokols, ko izstrādājusi dāņu fiziķe Barbara Terāla un citi: zilie un sarkanie dimanti nonāk dažādās ierīcēs, kas mēra NV centra sistēmu griešanās virzienus. (Mērīšana noved pie superpozīciju sabrukšanas noteiktos stāvokļos). Tad abi rezultāti tiek salīdzināti. Veicot eksperimentu vairāk un vairāk un salīdzinot vairākus griešanās mērījumu pārus, zinātnieki var noteikt, vai divu kvantu sistēmu griešanās patiesībā tika korelēti biežāk, nekā nosakot augšējo robežu objektiem, kuri nav kvantu mehāniski sapinušies. Ja tā,gravitācija sapin dimantus un var saglabāt virspozīciju.
"Interesants šajā eksperimentā ir tas, ka jums nav jāzina, kas ir kvantu teorija," saka Blenkovs. "Viss, kas nepieciešams, ir apgalvot, ka šajā jomā ir kāds kvantu aspekts, kuru starpniecību ietekmē spēks starp abām daļiņām."
Ir daudz tehnisku grūtību. Lielākais priekšmets, kas iepriekš ticis uzklāts divās vietās, ir 800 atomu molekula. Katrā mikrodimantā ir vairāk nekā 100 miljardi oglekļa atomu - tas ir pietiekami, lai izveidotu taustāmu gravitācijas spēku. Lai izpakotu tās kvantu mehānisko raksturu, būs nepieciešama zema temperatūra, dziļš vakuums un precīza kontrole. “Sākotnējās superpozīcijas iestatīšana un palaišana ir saistīta ar lielu darbu,” saka Pīters Bārkers, eksperimentālās komandas loceklis, kurš uzlabo lāzera dzesēšanu un mikrodimantu uztveršanas paņēmienus. Ja to varētu izdarīt ar vienu dimantu, Bose piebilst: "otrais nebūs problēma."
Kas padara gravitāciju unikālu?
Kvantu gravitācijas pētnieki nešaubās, ka gravitācija ir kvantu mijiedarbība, kas var izraisīt sapīšanos. Protams, gravitācija ir nedaudz unikāla, un par telpas un laika pirmsākumiem vēl ir daudz jāiemācās, taču noteikti jāiesaista kvantu mehānika, saka zinātnieki. "Nu, tiešām, kāda jēga teorijai, kurā liela daļa fizikas ir kvants un gravitācija ir klasiska," saka Daniels Harlovs, MIT kvantu gravitācijas pētnieks. Teorētiskie argumenti pret jauktajiem kvantu-klasiskajiem modeļiem ir ļoti spēcīgi (lai arī nav pārliecinoši).
No otras puses, teorētiķi jau iepriekš ir kļūdījušies. “Ja jūs varat pārbaudīt, kāpēc gan ne? Ja tas apklusinātu šos cilvēkus, kuri apšauba gravitācijas kvantitāti, tas būtu lieliski,”sacīja Harlovs.
Pēc dokumentu lasīšanas Disons rakstīja: "Ierosinātais eksperiments neapšaubāmi izraisa lielu interesi un ir jāveic to reālas kvantu sistēmas apstākļos." Tomēr viņš atzīmē, ka autoru domāšanas virziens par kvantu laukiem atšķiras no viņa. “Man nav skaidrs, vai šis eksperiments spēs atrisināt jautājumu par kvantu gravitācijas esamību. Man uzdotais jautājums - vai mēs novērojam atsevišķu gravitonu - ir vēl viens jautājums, un uz to, iespējams, būs atšķirīga atbilde."
Bose, Marletto un viņu kolēģu domas par kvantēto gravitāciju izriet no Bronšteina darba 1935. gadā. (Deisons Bronšteina darbu sauca par "skaistu darbu", ko viņš vēl nebija redzējis). Proti, Bronšteins parādīja, ka vāju smagumu, ko rada maza masa, var tuvināt ar Ņūtona gravitācijas likumu. (Tas ir spēks, kas darbojas starp mikrodimantu superpozīcijām). Pēc Blenko teiktā, vāji kvantēta gravitācijas aprēķini nav īpaši veikti, lai gan tie noteikti ir būtiskāki nekā melno caurumu vai lielā sprādziena fizika. Viņš cer, ka jaunais eksperimentālais priekšlikums mudinās teorētiķus meklēt smalkus uzlabojumus Ņūtona tuvinājumam, ko nākotnē varētu izmēģināt planšetdatora eksperimenti.
Leonards Susskinds, slavens kvantu gravitācijas un stīgu teorētiķis Stenfordas universitātē, redzēja piedāvātā eksperimenta vērtību, jo “tas nodrošina gravitācijas novērojumus jaunā masu un attālumu diapazonā. Bet viņš un citi pētnieki uzsvēra, ka mikrodimanti nevar atklāt neko par pilnīgu kvantu gravitācijas vai kosmosa laika teoriju. Viņš un viņa kolēģi vēlētos saprast, kas notiek melnā cauruma centrā un Lielā sprādziena laikā.
Varbūt viens no pavedieniem par to, kāpēc gravitāciju ir tik daudz grūtāk kvantitatīvi noteikt nekā jebkas cits, ir tas, ka citiem dabas spēkiem ir tā saucamā “lokalitāte”: kvantu daļiņas vienā lauka reģionā (piemēram, elektroni magnētiskā lauka fotoni) ir “neatkarīgas no citas fiziskas vienības citā kosmosa apgabalā,”saka Marks van Raamsdonks, Britu Kolumbijas universitātes kvantu gravitācijas teorētiķis. "Bet ir daudz teorētisku pierādījumu, ka gravitācija nedarbojas šādi."
Labākajos kvantu gravitācijas smilšu modeļos (ar vienkāršotām telpas un laika ģeometrijām) nav iespējams pieņemt, ka lentes telpas un laika audums ir sadalīts neatkarīgos trīsdimensiju gabalos, saka van Raamsdonks. Tā vietā mūsdienu teorija liek domāt, ka kosmosa pamatā esošās fundamentālās sastāvdaļas ir "drīzāk divdimensionāli sakārtotas". Laika telpas audums var būt kā hologramma vai videospēle. "Lai arī attēls ir trīsdimensiju, informācija tiek glabāta divdimensiju datora mikroshēmā." Šajā gadījumā trīsdimensiju pasaule būs ilūzija tādā nozīmē, ka tās dažādās daļas nav tik neatkarīgas. Līdzīgi kā videospēlē, daži biti divdimensiju mikroshēmā var kodēt visa spēles visuma globālās funkcijas.
Un šī atšķirība ir svarīga, mēģinot izveidot gravitācijas kvantu teoriju. Parastā pieeja kaut kā kvantizēšanai ir noteikt tās neatkarīgās daļas - piemēram, daļiņas - un pēc tam tām piemērot kvantu mehāniku. Bet, ja jūs neidentificējat pareizās sastāvdaļas, jūs saņemat nepareizus vienādojumus. Trīsdimensiju telpas tiešā kvantēšana, ko Bronšteins vēlējās veikt, zināmā mērā darbojas ar vāju gravitācijas spēku, taču izrādās bezjēdzīga, ja kosmosa laiks ir ļoti izliekts.
Daži eksperti saka, ka kvantu gravitācijas “smaida” aculiecinieks var motivēt šāda veida abstraktus apsvērumus. Galu galā pat skaļākos teorētiskos argumentus par kvantu gravitācijas esamību neatbalsta eksperimentāli pierādījumi. Kad van Raamsdonks skaidro savus pētījumus zinātnieku kolokvijā, viņš saka, tas parasti sākas ar stāstīšanu par to, kā gravitācija ir jāpārdomā ar kvantu mehāniku, jo klasiskais kosmosa laika apraksts sadalās pie melnajiem caurumiem un Lielā sprādziena.
“Bet, ja jūs veicat šo vienkāršo eksperimentu un parādāt, ka gravitācijas lauks bija superpozīcijā, klasiskā apraksta kļūme kļūst acīmredzama. Jo būs eksperiments, kas nozīmē, ka smagums ir kvants."
Balstīts uz žurnāla Quanta materiāliem
Iļja Khel