Avem toate motivele să credem că gravitația este inerent o teorie cuantică. Dar cum putem dovedi asta o dată pentru totdeauna? Dr. Sabina Nossenfelder, fizician teoretic, expert în gravitație cuantică și fizică cu energie ridicată, vorbește despre acest lucru. Mai departe de prima persoană.
Dacă aveți o vedere bună, cele mai mici obiecte pe care le puteți vedea vor fi de aproximativ o zecime de milimetru: aproximativ lățimea unui păr uman. Adăugați tehnologie, iar cea mai mică structură pe care am reușit să o măsurăm până acum a fost de aproximativ 10-19 metri, care este lungimea de undă a protonilor care se ciocnesc la LHC. Ne-a luat 400 de ani să trecem de la cel mai primitiv microscop la construcția LHC - o îmbunătățire de 15 ordine de mărime pe parcursul a patru secole.
Efectele cuantice ale gravitației sunt estimate a deveni relevante la scale de distanță de aproximativ 10-35 metri, cunoscute sub numele de lungime Planck. Este vorba despre alte 16 ordine de calea de magnitudine sau un alt factor de 1016 în ceea ce privește energia de coliziune. Acest lucru te face să te întrebi dacă acest lucru este posibil deloc sau dacă toate eforturile de a încerca să găsești o teorie cuantică a gravitației vor rămâne pentru totdeauna ficțiune inactivă.
Sunt optimist. Istoria științei este plină de oameni care au crezut că mult este imposibil, dar, în realitate, s-a dovedit invers: măsurarea devierii luminii în câmpul gravitațional al soarelui, mașini mai grele decât aerul, detectarea undelor gravitaționale. Prin urmare, nu consider imposibil să testăm experimental gravitația cuantică. Poate dura zeci sau sute de ani - dar dacă continuăm să ne mișcăm, am putea să măsurăm efectele gravitației cuantice într-o zi. Nu neapărat prin atingerea directă a următoarelor 16 ordine de mărime, ci mai degrabă prin detectarea indirectă la energii mai mici.
Dar din nimic, nu se naște nimic. Dacă nu ne gândim la cum se pot manifesta efectele gravitației cuantice și unde ar putea apărea, cu siguranță nu le vom găsi niciodată. Optimismul meu este alimentat de un interes din ce în ce mai mare pentru fenomenologia gravitației cuantice, o zonă de cercetare dedicată studierii modalității de a căuta cel mai bine manifestările efectelor cuantice ale gravitației.
Deoarece nu s-a inventat nicio teorie consistentă pentru gravitația cuantică, eforturile actuale de a găsi fenomene observabile sunt concentrate pe găsirea unor modalități de testare a caracteristicilor generale ale teoriei, căutând proprietăți care au fost găsite în unele abordări diferite ale gravitației cuantice. De exemplu, fluctuațiile cuantice în spațiu sau prezența unei „lungimi minime” care va marca limita fundamentală a rezoluției. Astfel de efecte ar putea fi determinate folosind modele matematice, iar apoi puterea acestor efecte posibile ar putea fi estimată și pentru a înțelege ce experimente pot da cele mai bune rezultate.
Testarea gravitației cuantice a fost considerată mult timp la îndemâna experimentelor, judecând după estimări, avem nevoie de un ciocan de dimensiunea Căii Lactee pentru a accelera protoni suficient pentru a produce o cantitate măsurabilă de gravitoni (quanta câmpului gravitațional) sau avem nevoie de un detector de mărimea Jupiter pentru a măsura gravitonele care se nasc peste tot. Nu este imposibil, dar cu siguranță nu este ceva ce ar trebui să se aștepte în viitorul apropiat.
Video promotional:
Astfel de argumente se referă numai la detectarea directă a gravitonilor și aceasta nu este singura manifestare a efectelor gravitației cuantice. Există multe alte consecințe observabile pe care gravitația cuantică le poate ridica, unele dintre care le-am căutat deja și pe care intenționăm să le căutăm. Până acum, rezultatele noastre sunt pur negative. Dar chiar și cele negative sunt valoroase, pentru că ne spun ce proprietăți poate avea teoria de care avem nevoie.
O consecință testabilă a gravitației cuantice, de exemplu, poate fi ruperea simetriei, fundamentală pentru relativitatea specială și generală, cunoscută sub numele de invarianța Lorentz. Interesant este că încălcările invarianței Lorentz nu sunt neapărat mici, chiar dacă sunt create la distanțe prea mici pentru a fi observate. Ruperea simetriei, pe de altă parte, va trece prin reacțiile multor particule la energiile disponibile cu o precizie incredibilă. Nu s-a găsit încă nicio dovadă a încălcărilor invarianței Lorentz. Poate părea slab, dar știind că această simetrie trebuie respectată cu cel mai mare grad de precizie în greutatea cuantică, puteți folosi acest lucru în elaborarea unei teorii.
Alte consecințe testabile ar putea fi în câmpul slab al gravitației cuantice. În Universul timpuriu, fluctuațiile cuantice în spațiu-timp ar fi trebuit să conducă la fluctuații de temperatură care apar în materie. Aceste fluctuații de temperatură sunt observate astăzi, fiind imprimate în radiațiile de fundal (CMB). Amprenta „undelor gravitaționale primare” pe fundalul microundelor cosmice nu a fost încă măsurată (LIGO nu este suficient de sensibilă pentru aceasta), dar este de așteptat ca aceasta să se încadreze în una sau două ordine de mărime a exactității măsurării actuale. Multe colaborări experimentale lucrează în căutarea acestui semnal, inclusiv BICEP, POLARBEAR și Observatorul Planck.
Un alt mod de a testa limita câmpului slab al gravitației cuantice este să încercați să introduceți obiecte mari într-o superpoziție cuantică: obiecte mult mai grele decât particulele elementare. Acest lucru va face câmpul gravitațional mai puternic și poate testa comportamentul cuantic al acestuia. Cele mai grele obiecte pe care am reușit până acum să le legăm într-o superpoziție cântăresc aproximativ o nanogramă, care este de câteva ordine de mărime mai mică decât este nevoie pentru a măsura câmpul gravitațional. Însă, recent, un grup de oameni de știință din Viena a propus o schemă experimentală care să ne permită să măsurăm câmpul gravitațional mult mai precis decât înainte. Ne apropiem încet de intervalul gravitațional cuantic.
(Rețineți că acest termen diferă în astrofizică, unde „gravitația puternică” este uneori folosită pentru a se referi la altceva, cum ar fi abaterile mari de la gravitația newtoniană care pot fi găsite în apropierea orizonturilor de eveniment ale găurii negre.)
Efectele puternice ale gravitației cuantice ar putea de asemenea lăsa o amprentă (alta decât efectele de câmp slab) în CMB (radiații relicte), în special în tipul de corelații care pot fi găsite între fluctuații. Există diverse modele de cosmologie cu șiruri și cosmologie cu buclă cuantică care studiază consecințele observabile și experimente propuse precum EUCLID, PRISM și WFIRST pot găsi indicii timpurii.
Există o altă idee interesantă, bazată pe o constatare teoretică recentă, conform căreia prăbușirea gravitațională a materiei nu poate întotdeauna să formeze o gaură neagră - întregul sistem va evita formarea orizontului. Dacă da, obiectul rămas ne va oferi o imagine asupra regiunii cu efecte gravitaționale cuantice. Nu este clar, însă, ce semnale ar trebui să căutăm pentru a găsi un astfel de obiect, dar aceasta este o direcție de căutare promițătoare.
Există o mulțime de idei. O clasă mare de modele se ocupă de posibilitatea ca efectele gravitaționale cuantice să doteze spațiul cu proprietățile unui mediu. Acest lucru poate duce la dispersia luminii, birefringență, decoență sau opacitatea spațiului gol. Nu poți spune despre toate deodată. Dar, fără îndoială, mai sunt multe de făcut. Căutarea dovezilor că gravitația este într-adevăr o forță cuantică a început deja.
ILYA KHEL
