V roku 1935, keď bola kvantová mechanika a Einsteinova všeobecná teória relativity veľmi mladá, urobil neslávny sovietsky fyzik Matvei Bronstein vo veku 28 rokov prvú podrobnú štúdiu o zmierení týchto dvoch teórií v kvantovej teórii gravitácie. Toto, „možno teória celého sveta“, ako napísal Bronstein, by mohlo nahradiť Einsteinov klasický popis gravitácie, v ktorej sa javí ako krivky v časopriestorovom kontinuu, a prepisovať ju v kvantovom jazyku, rovnako ako všetky ostatné fyziky.
Bronstein prišiel na to, ako opísať gravitáciu z hľadiska kvantovaných častíc, ktoré sa teraz nazývajú gravitóny, ale iba vtedy, keď je gravitačná sila slabá - to je (všeobecne relativita), keď je časopriestor tak slabo zakrivený, že je prakticky plochý. Keď je gravitácia silná, „situácia je úplne iná“, napísal vedec. „Bez hlbokej revízie klasických konceptov je takmer nemožné predstaviť kvantovú teóriu gravitácie v tejto oblasti.“
Jeho slová boli prorocké. O osemdesiattri rokov neskôr sa fyzici stále snažia pochopiť, ako sa krivosť priestorového času prejavuje v makroskopickom merítku, čo vyplýva z fundamentálnejšieho a údajne kvantového obrazu gravitácie; možno najhlbšia otázka z fyziky. Možno, ak by to bola šanca, Bronsteinova svetlá hlava by urýchlila proces tohto hľadania. Okrem kvantovej gravitácie prispieval aj k astrofyzike a kozmológii, teórii polovodičov, kvantovej elektrodynamike a napísal niekoľko kníh pre deti. V roku 1938 spadol pod stalinistické represie a popravený bol vo veku 31 rokov.
Hľadanie úplnej teórie kvantovej gravitácie je komplikované skutočnosťou, že kvantové vlastnosti gravitácie sa nikdy neprejavujú v reálnej skúsenosti. Fyzici nevidia, ako je porušený Einsteinov opis hladkého priestorovo-kontinuálneho kontinua alebo Bronsteinova kvantová aproximácia v mierne zakrivenom stave.
Problém spočíva v extrémnej slabosti gravitačnej sily. Kým kvantované častice prenášajúce silné, slabé a elektromagnetické sily sú také silné, že pevne viažu hmotu na atómy a môžu sa skúmať doslova pod lupou, gravitóny sú jednotlivo také slabé, že ich laboratóriá nemajú šancu ich odhaliť. Na zachytenie graviton s vysokou pravdepodobnosťou musí byť detektor častíc taký veľký a masívny, že sa zrúti do čiernej diery. Táto slabina vysvetľuje, prečo sú potrebné astronomické hromadenia, aby gravitácia ovplyvnila ďalšie masívne telá, a prečo vidíme gravitačné účinky na veľkých mierkach.
To nie je všetko. Zdá sa, že vesmír prechádza nejakou kozmickou cenzúrou: oblasti silnej gravitácie - kde krivky časopriestoru sú také ostré, že Einsteinove rovnice zlyhávajú, a musí sa odhaliť kvantová povaha gravitácie a časopriestoru - vždy sa skrývajú za horizont čiernych dier.
„Ešte pred niekoľkými rokmi došlo k všeobecnému konsenzu, že je takmer nemožné zmerať kvantifikáciu gravitačného poľa akýmkoľvek spôsobom,“hovorí Igor Pikovsky, teoretický fyzik na Harvardskej univerzite.
Propagačné video:
A tu je niekoľko nedávnych príspevkov publikovaných v listoch o fyzických recenziách, ktoré zmenili situáciu. Tieto práce tvrdia, že je možné dosiahnuť kvantovú gravitáciu - aj bez toho, aby sa o tom niečo vedelo. Články, ktoré napísali Sugato Bose z University College London a Chiara Marletto a Vlatko Vedral z Oxfordskej univerzity, navrhujú technicky náročný, ale uskutočniteľný experiment, ktorý by mohol potvrdiť, že gravitácia je kvantovou silou ako všetci ostatní bez toho, aby bolo potrebné odhaliť graviton. Miles Blencoe, kvantový fyzik na Dartmouth College, ktorý sa nezúčastnil na práci, tvrdí, že takýto experiment by mohol odhaliť jasné stopy neviditeľnej kvantovej gravitácie - „úsmev Cheshire Cat“.
Navrhovaný experiment určí, či sa dva objekty - skupina Bose plánuje použiť pár mikrodiamondov - medzi sebou navzájom kvantovo-mechanicky zapletú do procesu vzájomnej gravitačnej príťažlivosti. Zapletenie je kvantový jav, v ktorom sa častice nerozlučne prelínajú a zdieľajú jediný fyzikálny opis, ktorý definuje ich možné kombinované stavy. (Koexistencia rôznych možných stavov sa nazýva „superpozícia“a definuje kvantový systém). Napríklad pár spletených častíc môže existovať v superpozícii, v ktorej sa častica A bude točiť zdola nahor s pravdepodobnosťou 50%, a B - zhora dole a naopak s 50% pravdepodobnosťou. Nikto nevie vopred, aký výsledok získate pri meraní smeru rotácie častíc, ale môžete si byť istí, žeže budú mať to isté.
Autori tvrdia, že dva objekty v navrhovanom experimente sa môžu takto zamotať iba vtedy, ak sila pôsobiaca medzi nimi - v tomto prípade gravitácia - je kvantovou interakciou sprostredkovanou gravitónmi, ktorá môže podporovať kvantové superpozície. „Ak sa uskutoční experiment a získa sa spletenie, podľa článku je možné dospieť k záveru, že gravitácia je kvantovaná,“vysvetlil Blenkow.
Zamotajte diamant
Kvantová gravitácia je taká jemná, že niektorí vedci spochybnili jej existenciu. Renomovaný matematik a fyzik Freeman Dyson, 94, od roku 2001 tvrdil, že vesmír môže podporovať istý druh „dualistického“opisu, v ktorom „gravitačné pole opísané v Einsteinovej všeobecnej teórii relativity bude čisto klasickým poľom bez kvantového správania.“a všetka hmota v tomto hladkom časopriestorovom kontinuu bude kvantovaná časticami, ktoré dodržiavajú pravidlá pravdepodobnosti.
Dyson, ktorý pomohol rozvíjať kvantovú elektrodynamiku (teória interakcií medzi hmotou a svetlom) a emeritný profesor na Inštitúte pre pokročilé štúdium v Princetone v New Jersey, neverí, že na opísanie nedosiahnuteľných hĺbok čiernych dier je potrebná kvantová gravitácia. A tiež verí, že odhalenie hypotetickej gravitonity môže byť v zásade nemožné. V tomto prípade hovorí, že kvantová gravitácia bude metafyzická, nie fyzická.
Nie je jediný skeptik. Slávny anglický fyzik Sir Roger Penrose a maďarský vedec Lajos Diosi nezávisle predpokladali, že časopriestor nemôže superpozíciu podporovať. Veria, že jej hladká, pevná, v podstate klasická povaha mu bráni v tom, aby sa ohýbala do dvoch možných ciest súčasne - a práve táto rigidita vedie ku kolapsu superpozícií kvantových systémov, ako sú elektróny a fotóny. „Gravitačné ozdobenie“podľa ich názoru umožňuje vznik jedinej, pevnej a klasickej reality, ktorú možno pociťovať v makroskopickom meradle.
Zdá sa, že nájdenie kvantového gravitačného „úsmevu“vyvráti Dysonov argument. Zabíja tiež teóriu gravitačnej dekoreencie tým, že ukazuje, že gravitácia a časopriestor podporujú kvantové superpozície.
Návrhy Boseho a Marletta sa objavili súčasne a úplne náhodou, hoci odborníci poznamenávajú, že odrážajú ducha doby. Experimentálne laboratóriá kvantovej fyziky na celom svete zaraďujú do kvantových superpozícií stále väčšie mikroskopické objekty a optimalizujú skúšobné protokoly na zapletenie dvoch kvantových systémov. Navrhovaný experiment by musel tieto postupy kombinovať, pričom by si vyžadoval ďalšie zlepšenia rozsahu a citlivosti; môže to trvať desať rokov. „Neexistuje však žiadna slepá ulička,“hovorí Pikovsky, ktorý tiež skúma, ako môžu laboratórne experimenty zisťovať gravitačné javy. „Myslím, že je to ťažké, ale nie nemožné.“
Tento plán je podrobnejšie načrtnutý v práci jedenástich odborníkov Bose et al. Ocean pre rôzne fázy návrhu. Napríklad vo svojom laboratóriu na Univerzite vo Warwicku spoluautor Gavin Morley pracuje na prvom stupni a snaží sa umiestniť mikrodiamond do kvantovej superpozície na dvoch miestach. Aby to urobil, uzavrie atóm dusíka do mikrom diamantu vedľa voľného miesta v diamantovej štruktúre (tzv. NV centrum alebo dusíkom substituovaného voľného miesta v diamantu) a nabije ho mikrovlnným impulzom. Elektrón rotujúci okolo stredu NV súčasne absorbuje svetlo a neabsolvuje a systém prechádza do kvantovej superpozície dvoch smerov otáčania - nahor a nadol - ako vrchol, ktorý sa otáča v smere hodinových ručičiek s určitou pravdepodobnosťou a proti smeru hodinových ručičiek s určitou pravdepodobnosťou. Mikro diamant nabitý touto superpozíciou rotácie je vystavený magnetickému poľu,čo umožňuje, aby sa horná rotácia pohybovala doľava a spodná rotácia doprava. Samotný diamant je rozdelený na superpozíciu dvoch trajektórií.
Pri úplnom experimente musia vedci robiť toto všetko pomocou dvoch diamantov - povedzme červených a modrých - umiestnených vedľa seba v ultracold vakuu. Keď sa pasca, ktorá ich drží, vypne, dva mikro-diamanty, každý v superpozícii dvoch pozícií, padajú vertikálne vo vákuu. Keď diamanty padajú, budú pociťovať gravitáciu každého z nich. Aká silná bude ich gravitačná sila?
Ak je gravitácia kvantovou interakciou, odpoveď je: v závislosti od toho, čo. Každá zložka superpozície modrého diamantu zažije silnejšiu alebo slabšiu príťažlivosť pre červený kosoštvorec, v závislosti od toho, či je tento diamant v vetve superpozície, ktorá je bližšie alebo ďalej. A závažnosť, ktorú bude mať každá zložka superpozície červeného diamantu, závisí od stavu modrého diamantu.
V každom prípade rôzne stupne gravitačnej príťažlivosti ovplyvňujú vyvíjajúce sa komponenty diamantových superpozícií. Dva diamanty sa stávajú vzájomne závislými, pretože ich stavy je možné určiť iba v kombinácii - ak to znamená, že - preto smery otočení oboch systémov centier NV budú korelovať.
Keď mikrodiamondy padajú vedľa seba po dobu troch sekúnd - dosť na to, aby sa zaplietli do gravitácie - prejdú ďalším magnetickým poľom, ktoré znova zarovná vetvy každej superpozície. Posledným krokom v experimente je protokol svedectva o zapletení, ktorý vyvinula dánska fyzikka Barbara Teral a ďalší: modré a červené diamanty vstupujú do rôznych zariadení, ktoré merajú smery otáčania stredových systémov NV. (Meranie vedie k zrúteniu superpozícií do určitých stavov). Potom sa tieto dva výsledky porovnajú. Vedením experimentu znova a znova a porovnávaním viacerých párov spinových meraní môžu vedci určiť, či sa točenia dvoch kvantových systémov skutočne korelujú častejšie, než definovanie hornej hranice pre objekty, ktoré nie sú kvantovo mechanicky zapletené. Ak áno,gravitácia zapletie diamanty a dokáže udržať superpozíciu.
„Na tomto experimente je zaujímavé, že nepotrebujete vedieť, čo je kvantová teória,“hovorí Blenkow. „Všetko, čo je potrebné, je tvrdiť, že v tejto oblasti existuje nejaký kvantový aspekt, ktorý je sprostredkovaný silou medzi dvoma časticami.“
Existuje veľa technických problémov. Najväčším objektom, ktorý bol predtým na dvoch miestach položený, je molekula s 800 atómami. Každý mikrom diamant obsahuje viac ako 100 miliárd atómov uhlíka - dosť na to, aby sa vytvorila hmatateľná gravitačná sila. Rozbalenie kvantovej mechanickej povahy bude vyžadovať nízke teploty, hlboký podtlak a presnú kontrolu. „Pri príprave počiatočnej superpozície a spúšťaní je veľa práce,“hovorí Peter Barker, člen experimentálneho tímu, ktorý vylepšuje techniky chladenia laserom a zachytávania mikrom diamantov. Ak by sa to dalo urobiť pomocou jedného diamantu, dodáva Bose, „druhý nebude problém.“
Čo robí gravitáciu jedinečnou?
Vedci kvantovej gravitácie nepochybujú o tom, že gravitácia je kvantová interakcia, ktorá môže spôsobiť zapletenie. Gravitácia je samozrejme o niečo jedinečná a stále sa toho treba veľa naučiť o pôvode vesmíru a času, ale podľa vedcov by určite mala byť zapojená aj kvantová mechanika. „Skutočne, v čom je zmysel teórie, v ktorej je veľa fyziky kvantové a gravitačné, je klasické,“hovorí Daniel Harlow, výskumník kvantovej gravitácie na MIT. Teoretické argumenty proti zmiešaným kvantovo-klasickým modelom sú veľmi silné (aj keď nie presvedčivé).
Na druhej strane sa teoretici predtým mýlili. „Ak to môžete skontrolovať, prečo nie? Keby to umlčalo tých ľudí, ktorí spochybňujú kvantitu gravitácie, bolo by to skvelé, “povedal Harlow.
Po prečítaní článkov Dyson napísal: „Navrhovaný experiment je bezpochyby veľmi zaujímavý a vyžaduje vykonanie v podmienkach skutočného kvantového systému.“Poznamenáva však, že smer myslenia autorov o kvantových poliach je odlišný od jeho. „Nie je mi jasné, či tento experiment dokáže vyriešiť otázku existencie kvantovej gravitácie. Otázka, ktorú som si položil - či pozorujeme samostatný graviton - je ďalšia otázka a môže mať inú odpoveď. ““
Myšlienka Boseho, Marletta a ich kolegov o kvantifikovanej gravitácii vychádza z Bronsteinovej práce už v roku 1935. (Dyson nazval Bronsteinovu prácu „prekrásnou prácou“, ktorú predtým nevidel). Bronstein ukázal, že slabá gravitácia spôsobená nízkou hmotnosťou sa dá aproximovať Newtonovým gravitačným zákonom. (Toto je sila, ktorá pôsobí medzi superpozíciami mikrodiamondov). Podľa Blencoe sa výpočty slabej kvantifikovanej gravitácie osobitne nevykonávali, aj keď sú určite relevantnejšie ako fyzika čiernych dier alebo Veľký tresk. Dúfa, že nový experimentálny návrh povzbudí teoretikov k tomu, aby hľadali jemné vylepšenia newtonovskej aproximácie, ktoré by sa mohli pokúsiť vyskúšať budúce experimenty na stole.
Leonard Susskind, renomovaná kvantová gravitácia a strunová teoretička na Stanfordskej univerzite, videl hodnotu navrhovaného experimentu, pretože „poskytuje pozorovania gravitácie v novom rozsahu hmotností a vzdialeností. Ale on a ďalší vedci zdôraznili, že mikrodiamondy nemôžu odhaliť nič o úplnej teórii kvantovej gravitácie alebo časopriestoru. On a jeho kolegovia by chceli pochopiť, čo sa deje v strede čiernej diery a v čase Veľkého tresku.
Možno jedným z kľúčov, prečo je gravitácia kvantifikovať oveľa ťažšie ako čokoľvek iné, je to, že iné prírodné sily majú takzvanú „lokalitu“: kvantové častice v jednej oblasti poľa (napríklad fotóny v elektromagnetickom poli) sú „nezávislé od ďalšie fyzické entity v inej oblasti vesmíru, “hovorí Mark van Raamsdonk, teoretik kvantovej gravitácie na University of British Columbia. „Existuje však veľa teoretických dôkazov, že gravitácia tak nefunguje.“
V najlepších pieskových modeloch kvantovej gravitácie (so zjednodušenou geometriou v čase a čase) nie je možné predpokladať, že tkanivo v priestore a čase je rozdelené na nezávislé trojrozmerné kusy, hovorí van Raamsdonk. Namiesto toho moderná teória naznačuje, že základné, základné zložky vesmíru sú „skôr dvojrozmerne usporiadané“. Tkanina časopriestoru môže byť ako hologram alebo videohra. „Aj keď je obrázok trojrozmerný, informácie sa ukladajú na dvojrozmerný počítačový čip.“V tomto prípade bude trojrozmerný svet ilúziou v tom zmysle, že jeho jednotlivé časti nie sú také nezávislé. Podobne ako videohra, aj niekoľko bitov na dvojrozmernom čipe môže kódovať globálne funkcie celého herného vesmíru.
A tento rozdiel je dôležitý, keď sa snažíte vytvoriť kvantovú teóriu gravitácie. Obvyklý prístup k kvantizácii niečoho je definovať jeho nezávislé časti - napríklad častice - a potom na ne aplikovať kvantovú mechaniku. Ak však neidentifikujete správne zložky, skončíte so zlými rovnicami. Priama kvantifikácia trojrozmerného priestoru, ktorú chcel Bronstein robiť, funguje do určitej miery so slabou gravitáciou, ale ukazuje sa ako zbytočná, keď je časopriestor vysoko zakrivený.
Niektorí odborníci tvrdia, že svedectvo „úsmevu“kvantovej gravitácie môže motivovať tento druh abstraktného uvažovania. Koniec koncov, ani tie najhlasnejšie teoretické argumenty o existencii kvantovej gravitácie nie sú podložené experimentálnymi dôkazmi. Keď van Raamsdonk vysvetľuje svoj výskum v kolokviu vedcov, hovorí, zvyčajne to začína rozprávaním príbehu, že gravitáciu je potrebné prehodnotiť pomocou kvantovej mechaniky, pretože klasický opis časopriestoru sa rozpadá na čiernych dierach a veľkom tresku.
„Ak však urobíte tento jednoduchý experiment a preukážete, že gravitačné pole bolo v superpozícii, zlyhanie klasického popisu bude zrejmé. Pretože bude experiment, ktorý naznačuje, že gravitácia je kvantová. ““
Na základe materiálov z časopisu Quanta
Ilja Khel