Máme všetky dôvody veriť, že gravitácia je vo svojej podstate kvantovou teóriou. Ako to však dokážeme raz a navždy? Sabina Nossenfelder, teoretická fyzikka, odborníčka na kvantovú gravitáciu a fyziku vysokých energií, o tom hovorí. Ďalej od prvej osoby.
Ak máte dobrý zrak, najmenšie predmety, ktoré môžete vidieť, budú asi desatinu milimetra: o šírke ľudských vlasov. Pridajte technológiu a najmenšia štruktúra, ktorú sme doteraz dokázali zmerať, bola asi 10 - 19 metrov, čo je vlnová dĺžka protónov zrážajúcich sa na LHC. Trvalo nám 400 rokov, kým sme prešli od najprimitívnejšieho mikroskopu k výstavbe LHC - zlepšenie o 15 rádov za štyri storočia.
Odhaduje sa, že kvantové účinky gravitácie sa stanú relevantnými pri mierkach vzdialeností asi 10 až 35 metrov, známych ako Planckova dĺžka. Toto je ďalších 16 rádov magnitúdovej cesty alebo iný faktor 1016 z hľadiska energie zrážky. Preto vás zaujíma, či je to vôbec možné, alebo či všetky snahy o nájdenie kvantovej teórie gravitácie zostanú navždy nečinné.
Som optimista. Dejiny vedy sú plné ľudí, ktorí si mysleli, že to nie je možné, ale v skutočnosti sa ukázalo, že to bolo naopak: meranie odklonu svetla v gravitačnom poli slnka, stroje ťažšie ako vzduch, zisťovanie gravitačných vĺn. Preto nepovažujem za nemožné experimentálne testovať kvantovú gravitáciu. Môže to trvať niekoľko desiatok alebo stoviek rokov - ale ak sa budeme stále hýbať, jedného dňa budeme môcť zmerať účinky kvantovej gravitácie. Nie nevyhnutne priamym dosahom ďalších 16 rádov, ale skôr nepriamou detekciou pri nižších energiách.
Ale z ničoho sa nič nenarodí. Ak neuvažujeme o tom, ako sa môžu prejaviť účinky kvantovej gravitácie a kde sa môžu objaviť, určite ich nikdy nenájdeme. Môj optimizmus je podporovaný rastúcim záujmom o fenomenológiu kvantovej gravitácie, výskumnej oblasti venovanej štúdiu toho, ako čo najlepšie hľadať prejavy kvantovej gravitácie.
Pretože pre kvantovú gravitáciu nebola vyvinutá žiadna konzistentná teória, súčasné snahy nájsť pozorovateľné javy sa zameriavajú na nájdenie spôsobov, ako otestovať všeobecné vlastnosti teórie, hľadaním vlastností, ktoré sa našli v niektorých rôznych prístupoch k kvantovej gravitácii. Napríklad kvantové výkyvy v časopriestore alebo prítomnosť „minimálnej dĺžky“, ktorá bude znamenať základnú hranicu rozlíšenia. Takéto účinky by sa mohli určiť pomocou matematických modelov a potom by sa mohla odhadnúť sila týchto možných účinkov a pochopiť, ktoré experimenty by mohli priniesť najlepšie výsledky.
Testovanie kvantovej gravitácie bolo dlho považované za dosah experimentov, podľa odhadov potrebujeme kolektor veľkosti Mliečnej dráhy, aby sme dostatočne urýchlili protóny na vytvorenie merateľného množstva gravitónov (quanta gravitačného poľa), alebo potrebujeme detektor veľkosti Jupitera na meranie gravitónov. ktoré sa rodia všade. Nie nemožné, ale určite nie niečo, čo by sa malo očakávať v blízkej budúcnosti.
Propagačné video:
Takéto argumenty sa však týkajú iba priameho odhaľovania gravitónov, a to nie je jediný prejav účinkov kvantovej gravitácie. Kvantová gravitácia môže vyvolať mnoho ďalších pozorovateľných dôsledkov, z ktorých niektoré sme už hľadali a niektoré z nich plánujeme hľadať. Naše výsledky sú zatiaľ čisto negatívne. Ale aj tie negatívne sú cenné, pretože nám hovoria, aké vlastnosti teória, ktorú potrebujeme, nemusia mať.
Jedným z testovateľných dôsledkov kvantovej gravitácie môže byť napríklad narušenie symetrie, zásadné pre osobitnú a všeobecnú relativitu, známe ako Lorentzova invarencia. Je zaujímavé, že porušenia Lorentzovej invarencie nie sú nevyhnutne malé, aj keď sa vyskytujú na príliš malých vzdialenostiach, ktoré nie je možné pozorovať. Na druhej strane, narušenie symetrie bude presakovať reakciami mnohých častíc pri dostupných energiách s neuveriteľnou presnosťou. Zatiaľ nebol zistený žiadny dôkaz o porušení invencie v prípade Lorentza. Môže sa to zdať riedke, ale s vedomím, že táto symetria sa musí dodržať s najvyššou presnosťou v kvantovej gravitácii, môžete ju použiť pri vývoji teórie.
Ďalšie testovateľné následky by mohli byť v slabom poli kvantovej gravitácie. Na začiatku vesmíru mali kvantové výkyvy v časopriestore viesť k výkyvom teploty v hmote. Tieto kolísania teploty sú dnes pozorované a sú potlačené v pozadí žiarenia (CMB). Odtlačok „primárnych gravitačných vĺn“na kozmickom mikrovlnnom pozadí sa zatiaľ nezmeral (LIGO na to nie je dostatočne citlivý), očakáva sa však, že bude v rozsahu jedného až dvoch rádov presnosti merania. Pri hľadaní tohto signálu pracuje veľa experimentálnych spoluprác, vrátane BICEP, POLARBEAR a Planck Observatory.
Ďalším spôsobom, ako otestovať limit slabého poľa kvantovej gravitácie, je pokúsiť sa zaviesť kvantové superpozície do veľkých objektov: objekty, ktoré sú oveľa ťažšie ako elementárne častice. Posilní sa tým gravitačné pole a potenciálne sa otestuje jeho kvantové správanie. Najťažšie predmety, ktoré sa nám doteraz podarilo zviazať do superpozície, vážia asi nanogram, ktorý je o niekoľko rádov menší, ako je potrebné na meranie gravitačného poľa. Nedávno však skupina vedcov vo Viedni navrhla experimentálnu schému, ktorá by nám umožnila merať gravitačné pole oveľa presnejšie ako predtým. Pomaly sa približujeme k množstvu kvantovej gravitácie.
(Majte na pamäti, že tento výraz sa líši v astrofyzike, kde sa výraz „silná gravitácia“niekedy používa na označenie niečoho iného, ako sú veľké odchýlky od newtonovskej gravitácie, ktoré možno nájsť v blízkosti horizontov čiernych dier.)
Silné účinky kvantovej gravitácie by tiež mohli zanechať odtlačok (iné ako slabé efekty poľa) v CMB (reliktné žiarenie), najmä v type korelácií, ktoré možno nájsť medzi výkyvmi. Existujú rôzne modely reťazcovej kozmológie a kozmológie s kvantovou slučkou, ktoré študujú pozorovateľné dôsledky, a navrhované experimenty, ako sú EUCLID, PRISM a WFIRST, môžu nájsť včasné indikácie.
Existuje ešte jedna zaujímavá myšlienka založená na nedávnom teoretickom objave, podľa ktorej gravitačné zrútenie hmoty nemusí vždy tvoriť čiernu dieru - celý systém sa vyhne formovaniu horizontu. Ak áno, zostávajúci objekt nám poskytne pohľad na región s kvantovými gravitačnými účinkami. Nie je však jasné, aké signály by sme mali hľadať, aby sme našli taký objekt, ale toto je sľubný smer hľadania.
Existuje veľa nápadov. Veľká skupina modelov sa zaoberá možnosťou, že kvantové gravitačné účinky dotujú časopriestor s vlastnosťami média. To môže viesť k rozptylu svetla, dvojlomu, dekherencii alebo prázdnemu priestoru. Nemôžete hovoriť o všetkom naraz. Nepochybne je však ešte treba urobiť veľa. Hľadanie dôkazov, že gravitácia je skutočne kvantovou silou, sa už začalo.
ILYA KHEL