1935 m., Kai kvantinė mechanika ir Einšteino bendroji reliatyvumo teorija buvo labai jauna, ne toks garsus sovietų fizikas Matvei Bronsteinas, būdamas 28 metų, atliko pirmąjį išsamų šių dviejų teorijų suderinimo kvantinės gravitacijos teorijos tyrimą. Tai, „galbūt viso pasaulio teorija“, kaip rašė Bronsteinas, galėtų atstumti klasikinį Einšteino gravitacijos apibūdinimą, kuriame jis vertinamas kaip erdvės-laiko kontinuumo kreivės, ir perrašyti jį kvantine kalba, kaip ir visa kita fizika.
Bronsteinas sugalvojo, kaip apibūdinti gravitaciją kvantuotų dalelių, dabar vadinamų gravitonais, atžvilgiu, tačiau tik tada, kai gravitacijos jėga yra silpna - tai yra (apskritai reliatyvumas), kai erdvės laikas yra taip silpnai išlenktas, kad yra praktiškai plokščias. Kai gravitacija stipri, „situacija yra visiškai kitokia“, rašė mokslininkas. "Neatlikus gilios klasikinių sąvokų peržiūros, šioje srityje beveik neįmanoma pateikti kvantinės gravitacijos teorijos".
- „Salik.biz“
Jo žodžiai buvo pranašiški. Po aštuoniasdešimt trejų metų fizikai vis dar bando suprasti, kaip erdvės laiko kreivė pasireiškia makroskopiniu mastu, kylančią iš fundamentalesnio ir tariamai kvantinio gravitacijos vaizdo; galbūt giliausias klausimas fizikoje. Galbūt, jei būtų galimybė, šviesi Bronsteino galva pagreitintų šios paieškos procesą. Be kvantinio sunkio, jis taip pat prisidėjo prie astrofizikos ir kosmologijos, puslaidininkių teorijos, kvantinės elektrodinamikos ir parašė keletą knygų vaikams. 1938 m. Jis patyrė Stalino represijas ir buvo įvykdytas mirties bausme sulaukęs 31 metų.
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.
Problema slypi ypač gravitacinėje jėgoje. Nors kvantintos dalelės, perduodančios stiprią, silpną ir elektromagnetinę jėgą, yra tokios stiprios, kad jos sandariai suriša materiją į atomus ir jas galima pažodžiui ištirti po padidinamuoju stiklu, gravitonai atskirai yra tokie silpni, kad laboratorijos neturi jokios galimybės jų aptikti. Norint sugauti gravitoną su didele tikimybe, dalelių detektorius turi būti toks didelis ir masyvus, kad jis sugriūtų į juodąją skylę. Šis silpnumas paaiškina, kodėl reikalinga astronominė masės sankaupa, norint paveikti kitus masyvius kūnus per gravitaciją, ir kodėl mes matome gravitacinį poveikį didžiulėmis skalėmis.
Tai dar ne viskas. Atrodo, kad visata yra tam tikros kosminės cenzūros objektas: stipriosios gravitacijos sritys - kur erdvės-laiko kreivės yra tokios aštrios, kad Einšteino lygtys žlunga, o gravitacijos ir erdvės-laiko kvantinis pobūdis turi būti atskleistos - visada slepiasi už juodųjų skylių horizonto.
„Net prieš keletą metų buvo bendras sutarimas, kad greičiausiai niekaip neįmanoma išmatuoti gravitacinio lauko kvantizacijos“, - sako Harvardo universiteto teorinis fizikas Igoris Pikovskis.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Štai keletas neseniai „Physical Review Letters“paskelbtų dokumentų, kurie pakeitė situaciją. Šie dokumentai patvirtina, kad gali būti įmanoma pasiekti kvantinę gravitaciją - net nieko apie tai nežinant. Straipsniuose, kuriuos parašė Sugato Bose iš Londono universiteto koledžo, Chiara Marletto ir Vlatko Vedral iš Oksfordo universiteto, siūlomas techniškai sudėtingas, bet įgyvendinamas eksperimentas, kuris galėtų patvirtinti, kad gravitacija yra kvantinė jėga, kaip ir visiems kitiems, nereikalaujant aptikti gravitono. Darbe nedalyvavęs Dartmuto koledžo kvantų fizikas Milesas Blencoe sako, kad toks eksperimentas galėtų atskleisti aiškius nematomos kvantinės gravitacijos pėdsakus - „Češyro katės šypseną“.
Siūlomas eksperimentas nustatys, ar du objektai - „Bose“grupė planuoja naudoti porą mikrodeimantų - yra kvantiniu-mechaniniu būdu įstrigę tarpusavyje tarpusavio gravitacijos traukos procese. Susipainiojimas yra kvantinis reiškinys, kai dalelės tampa neatsiejamai susipynusios, pasidalindamos vienu fiziniu aprašymu, apibrėžiančiu galimas jų kombinuotas būsenas. (Skirtingų galimų būsenų sambūvis vadinamas „superpozicija“ir nusako kvantinę sistemą). Pvz., Poroje įstrigusių dalelių gali egzistuoti superpozicija, kurioje dalelė A suksis iš apačios į viršų su 50% tikimybe, o B - iš viršaus į apačią ir atvirkščiai su 50% tikimybe. Niekas iš anksto nežino, kokį rezultatą gausite matuojant dalelių sukimosi kryptį, tačiau galite būti tikrikad jie turės tą patį.
Autoriai teigia, kad du siūlomo eksperimento objektai tokiu būdu gali įsipainioti tik tuo atveju, jei tarp jų veikianti jėga - šiuo atveju gravitacija - yra kvantinė sąveika, kurią perduoda gravitonai ir kurie gali palaikyti kvantines superpozicijas. „Jei bus atliktas eksperimentas ir gautas įsipainiojimas, remiantis dokumentu, galima daryti išvadą, kad gravitacija yra kiekybiškai įvertinta“, - aiškino Blenkovas.
Įklijuokite deimantą
Kvantinis gravitacija yra toks subtilus, kad kai kurie mokslininkai abejojo jo egzistavimu. Garsus matematikas ir fizikas Freemanas Dysonas, kuriam yra 94 metai, nuo 2001 m. Tvirtino, kad Visata gali palaikyti savotišką „dualistinį“apibūdinimą, kuriame „gravitacinis laukas, aprašytas Einsteino bendrojoje reliatyvumo teorijoje, bus grynai klasikinis laukas be jokio kvantinio elgesio“. ir visos materijos šiame sklandžiame erdvės-laiko kontinuume bus kvantuojamos dalelėmis, kurios paklūsta tikimybės taisyklėms.
Dysonas, padėjęs sukurti kvantinę elektrodinamiką (materijos ir šviesos sąveikos teoriją) ir yra Pažangaus tyrimo instituto, esančio Prinstono mieste, Naujajame Džersyje, profesorius emeritas, netiki, kad kvantinė gravitacija yra būtina neaprašytinoms juodųjų skylių gelmėms apibūdinti. Jis taip pat mano, kad iš esmės nustatyti hipotetinį gravitoną gali būti neįmanoma. Šiuo atveju, pasak jo, kvantinė gravitacija bus metafizinė, o ne fizinė.
Jis nėra vienintelis skeptikas. Garsusis anglų fizikas seras Rogeris Penrose'as ir vengrų mokslininkas Lajosas Diosi savarankiškai manė, kad erdvės laikas negali palaikyti superpozicijos. Jie mano, kad sklandus, tvirtas, iš esmės klasikinis pobūdis neleidžia jam pasisukti dviem įmanomais keliais tuo pačiu metu - ir būtent šis standumas lemia kvantinių sistemų, tokių kaip elektronai ir fotonai, superpozicijų žlugimą. Jų nuomone, „gravitacinis dekoratyvumas“leidžia įvykti vientisa, tvirta, klasikinė tikrovė, kurią galima pajusti makroskopiniu mastu.
Atrodytų, kad kiekybinės gravitacijos „šypsena“paneigia Dysono argumentus. Tai taip pat užmuša gravitacinio diferenciacijos teoriją parodydama, kad gravitacija ir erdvės laikas palaiko kvantines superpozicijas.
Boso ir Marletto pasiūlymai pasirodė vienu metu ir visiškai atsitiktinai, nors ekspertai pažymi, kad jie atspindi tų laikų dvasią. Eksperimentinės kvantinės fizikos laboratorijos visame pasaulyje deda vis didesnius mikroskopinius objektus į kvantų superpozicijas ir optimizuoja bandymo protokolus, kad būtų galima susieti dvi kvantines sistemas. Siūlomame eksperimente reikėtų derinti šias procedūras, tuo pačiu reikalaujant dar patobulinti mastelį ir jautrumą; tai gali užtrukti dešimt metų. „Bet fizinės aklavietės nėra“, - sako Pikovskis, kuris taip pat tiria, kaip laboratoriniai eksperimentai galėtų nustatyti gravitacinius reiškinius. "Manau, kad sunku, bet ne neįmanoma".
Šis planas išsamiau aprašytas vienuolikos Bose ir kitų vandenyno ekspertų Bose ir kt. Darbuose, skirtuose skirtingiems pasiūlymo etapams. Pvz., Savo laboratorijoje Voriko universitete bendraautorius Gavinas Morley dirba pirmame etape, bandydamas įterpti mikrodimantą į kvantinę superpoziciją dviejose vietose. Norėdami tai padaryti, jis uždengs azoto atomą mikrodeimante šalia laisvos vietos deimanto struktūroje (vadinamasis NV centras arba azoto pakeista laisva vieta deimante) ir įkraus jį mikrobangos impulsu. Aplink NV centrą besisukantis elektronas tuo pačiu metu sugeria šviesą, o ne, ir sistema eina į dviejų sukinio krypčių - aukštyn ir žemyn - kvantinę superpoziciją kaip viršuje, kuri sukasi pagal laikrodžio rodyklę su tam tikra tikimybe ir prieš laikrodžio rodyklę su tam tikra tikimybe. Mikrodeimantas, pakrautas su šia superpozicine nugara, yra veikiamas magnetinio lauko,dėl kurio viršutinė nugara juda į kairę, o apatinė - suktis į dešinę. Pats deimantas yra padalintas į dviejų trajektorijų superpoziciją.
Atlikdami visą eksperimentą, mokslininkai visa tai turi padaryti su dviem deimantais - tarkime, raudonais ir mėlynais -, esančiais vienas šalia kito ultragarsiniame vakuume. Kai spąstai, laikantys juos, du mikrodeimantai, esantys kiekvienoje iš dviejų padėčių, vakuume kris vertikaliai. Krentant deimantams jie pajus kiekvieno iš jų sunkumą. Kiek stipri bus jų gravitacinė trauka?
Jei gravitacija yra kvantinė sąveika, atsakymas yra: priklausomai nuo to, kas. Kiekvienas mėlynojo deimanto superpozicijos komponentas patirs stipresnį ar silpnesnį raudonojo deimanto patrauklumą, atsižvelgiant į tai, ar pastarasis yra arčiau ar toliau esančioje superpozicijos šakoje. Ir sunkumas, kurį pajus kiekvienas raudonojo deimanto superpozicijos komponentas, panašiai priklauso nuo mėlynojo deimanto būklės.
Kiekvienu atveju skirtingi gravitacinio traukos laipsniai turi įtakos besivystantiems deimantų superpozicijų komponentams. Du deimantai tampa tarpusavyje priklausomi, nes jų būsenas galima nustatyti tik kartu - jei tai reiškia, kad - todėl galiausiai dviejų NV centrų sistemų sukimosi kryptys koreliuos.
Po to, kai mikrodimantai tris sekundes nukrenta vienas šalia kito - tiek, kad įsipainiotų į sunkumą - jie praeis per kitą magnetinį lauką, kuris vėl sulygins kiekvienos superpozicijos šakas. Paskutinis eksperimento žingsnis yra įsipainiojimo liudininkų protokolas, kurį sukūrė danų fizikė Barbara Teral ir kiti: mėlyni ir raudoni deimantai patenka į skirtingus prietaisus, matuojančius NV centro sistemų sukimosi kryptis. (Matavimas lemia superpozicijų žlugimą į tam tikras būsenas). Tada palyginami abu rezultatai. Atlikdami eksperimentą ir palygindami keletą porų sukinių matavimų, mokslininkai gali nustatyti, ar dviejų kvantinių sistemų sukimai iš tikrųjų buvo koreliuojami dažniau, nei apibrėžti viršutinę ribą objektams, kurie nėra kvantiniai mechaniškai įsipainioti. Jei taip,gravitacija tikrai įsipainioja į deimantus ir gali išlaikyti superpoziciją.
„Įdomu šiame eksperimente yra tai, kad nereikia žinoti kas yra kvantinė teorija“, - sako Blenkovas. "Viskas, ko reikia, yra patvirtinti, kad šioje srityje yra tam tikras kvantinis aspektas, kurį tarpininkauja jėga tarp dviejų dalelių."
Yra daug techninių sunkumų. Didžiausias objektas, kuris anksčiau buvo uždėtas dviejose vietose, yra 800 atomų molekulė. Kiekviename mikrodimante yra daugiau nei 100 milijardų anglies atomų - to pakanka apčiuopiamai gravitacinei jėgai sukurti. Norint išpakuoti jo kvantinį mechaninį pobūdį, reikės žemos temperatūros, gilaus vakuumo ir tikslaus valdymo. „Pradinės superpozicijos nustatymas ir suveikimas turi nuveikti labai daug“, - sako Peteris Barkeris, eksperimentinės komandos, tobulinančios lazerio aušinimo ir mikrodeimantų gaudymo metodus, narys. Jei tai būtų galima padaryti su vienu deimantu, priduria Bose'as: „Antrasis nebus problema“.
Kuo gravitacija yra unikali?
Kvantinės gravitacijos tyrinėtojai neabejoja, kad gravitacija yra kvantinė sąveika, galinti sukelti susipainiojimą. Žinoma, gravitacija yra šiek tiek unikali ir apie erdvės bei laiko ištakas dar yra daug ko išmokti, tačiau kvantinė mechanika tikrai turėtų būti įtraukta, sako mokslininkai. „Na, tikrai, kokia prasmė teorijoje, kurioje didžioji fizikos dalis yra kvantinė, o gravitacija yra klasikinė“, - sako MIT kvantinės gravitacijos tyrėjas Danielis Harlovas. Teoriniai argumentai prieš mišrius kvantinės klasikos modelius yra labai stiprūs (nors ir nėra įtikinami).
Kita vertus, anksčiau teoretikai klydo. „Jei galite patikrinti, kodėl gi ne? Jei tai nutildytų tuos žmones, kurie abejoja gravitacijos kvantumu, būtų puiku “, - teigė Harlovas.
Perskaitęs dokumentus, Dysonas rašė: "Siūlomas eksperimentas neabejotinai kelia didelį susidomėjimą ir jį reikia atlikti tikros kvantinės sistemos sąlygomis". Tačiau jis pažymi, kad autorių minties apie kvantinius laukus kryptis skiriasi nuo jo. „Man neaišku, ar šis eksperimentas padės išspręsti kvantinės gravitacijos egzistavimo klausimą. Mano užduotas klausimas - ar stebime atskirą gravitoną - yra kitas klausimas, ir jis gali turėti kitokį atsakymą “.
Bose'o, Marletto ir jų kolegų mintis apie kvantuotą sunkumą kilo iš Bronsteino darbo dar 1935 m. (Dysonas Bronsteino kūrinį pavadino „gražiu darbu“, kurio dar nebuvo matęs). Visų pirma, Bronsteinas parodė, kad silpną gravitaciją, kurią sukuria maža masė, galima suderinti pagal Niutono gravitacijos dėsnį. (Tai yra jėga, veikianti tarp mikrodimanto superpozicijų). Anot Blencoe, silpno kiekybinio gravitacijos skaičiavimai nebuvo ypač atlikti, nors jie tikrai yra aktualesni nei juodųjų skylių ar Didžiojo sprogimo fizika. Jis tikisi, kad naujasis eksperimentinis pasiūlymas paskatins teoretikus ieškoti subtilių niutono suderinimo patobulinimų, kuriuos ateityje galėtų išbandyti planšetiniai kompiuterio eksperimentai.
Garsus kvantinės gravitacijos ir styginių teoretikas iš Stanfordo universiteto Leonardas Susskindas suprato pasiūlyto eksperimento vertę, nes „jis pateikia gravitacijos stebėjimus naujame masių ir atstumų diapazone“. Bet jis ir kiti tyrinėtojai pabrėžė, kad mikrodimantai nieko negali atskleisti apie išsamią kvantinės gravitacijos ar erdvėlaikio teoriją. Jis ir jo kolegos norėtų suprasti, kas vyksta juodosios skylės centre ir Didžiojo sprogimo metu.
Galbūt vienas iš užuominų, kodėl sunkumą yra sunkiau kiekybiškai išmatuoti nei visa kita, yra tas, kad kitos gamtos jėgos turi vadinamąją „lokalumą“: kvantinės dalelės vienoje lauko srityje (pavyzdžiui, fotonai elektromagnetiniame lauke) yra „nepriklausomos nuo kitos fizinės esybės kitoje kosmoso srityje “, - sako Markas van Raamsdonkas, Britanijos Kolumbijos universiteto kvantinės gravitacijos teoretikas. "Tačiau yra daugybė teorinių įrodymų, kad gravitacija neveikia taip".
Geriausiuose kvantinio gravitacijos smėlio modeliuose (su supaprastintomis erdvės ir laiko geometrijomis) neįmanoma manyti, kad juostą primenantis erdvės ir laiko audinys suskaidomas į savarankiškus trimačius gabalus, sako van Raamsdonkas. Vietoj to, šiuolaikinė teorija rodo, kad pagrindinės kosmoso sudedamosios dalys yra „gana dvimatės“. Laiko erdvės audinys gali būti panašus į hologramą ar vaizdo žaidimą. "Nors vaizdas yra trimatis, informacija yra saugoma dvimatėje kompiuterio mikroschemoje." Šiuo atveju trimatis pasaulis bus iliuzija ta prasme, kad įvairios jo dalys nėra tokios savarankiškos. Panašiai kaip ir vaizdo žaidime, keli bitai ant dviejų matmenų lusto gali užkoduoti globalias visos žaidimo visatos funkcijas.
Ir šis skirtumas svarbus, kai bandai sukurti kvantinę gravitacijos teoriją. Įprastas būdas kažką kvantuoti yra apibrėžti jo nepriklausomas dalis - pavyzdžiui, daleles - ir tada joms pritaikyti kvantinę mechaniką. Bet jei neidentifikuojate teisingų sudedamųjų dalių, gaunate neteisingas lygtis. Tiesioginis trimatės erdvės kvantis, kurį norėjo padaryti Bronsteinas, tam tikru mastu veikia esant silpnam gravitacijai, tačiau pasirodo nenaudingas, kai erdvės laikas yra labai lenktas.
Kai kurie ekspertai teigia, kad kvantinės gravitacijos „šypsenos“liudijimas gali motyvuoti tokio pobūdžio abstrakčius samprotavimus. Juk net garsiausi teoriniai argumentai apie kvantinės gravitacijos egzistavimą neparemti eksperimentiniais įrodymais. Van Raamsdonkas, aiškindamas savo tyrimus mokslininkų koliokviume, sako, jis paprastai prasideda pasakojimu, kaip reikia pergalvoti gravitaciją kvantinės mechanikos dėka, nes klasikinis erdvėlaikio aprašymas suskaidomas ties juodosiomis skylėmis ir Didžiuoju sprogimu.
„Bet jei atliksite šį paprastą eksperimentą ir parodysite, kad gravitacinis laukas buvo superpozicijoje, klasikinio aprašymo nesėkmė tampa akivaizdi. Nes bus eksperimentas, kuris suponuoja, kad gravitacija yra kvantinė “.
Remiantis žurnalo „Quanta“medžiaga
Ilja Khel