În 1935, când mecanica cuantică și teoria generală a relativității lui Einstein erau foarte tinere, nu atât de cunoscutul fizician sovietic Matvey Bronstein, la 28 de ani, a făcut primul studiu detaliat privind reconcilierea acestor două teorii în teoria cuantică a gravitației. Aceasta, „probabil teoria întregii lumi”, așa cum scria Bronstein, ar putea înlocui descrierea clasică a gravității a lui Einstein, în care este văzută ca curbe în continuul spațiu-timp și să o rescrie în limbaj cuantic, ca în orice altă fizică.
Bronstein și-a dat seama cum să descrie gravitația în termeni de particule cuantificate, acum numite gravitoni, dar numai atunci când forța gravitației este slabă - adică (în general relativitate) când spațiul este atât de slab curbat încât este practic plat. Când gravitația este puternică, „situația este complet diferită”, a scris omul de știință. „Fără o revizuire profundă a conceptelor clasice, pare aproape imposibil să prezentăm o teorie cuantică a gravitației în această zonă”.
Cuvintele lui erau profetice. Optzeci și trei de ani mai târziu, fizicienii încă încearcă să înțeleagă cum se manifestă curbura spațială pe o scară macroscopică, izvorând dintr-o imagine mai fundamentală și presupus cuantică a gravitației; poate cea mai profundă întrebare din fizică. Poate, dacă ar exista o șansă, capul luminos al lui Bronstein ar grăbi procesul acestei căutări. În plus față de gravitatea cuantică, a adus contribuții și la astrofizică și cosmologie, teoria semiconductorilor, electrodinamicii cuantice și a scris mai multe cărți pentru copii. În 1938 a căzut sub represiunea stalinistă și a fost executat la vârsta de 31 de ani.
Căutarea unei teorii complete a gravitației cuantice este complicată de faptul că proprietățile cuantice ale gravitației nu se manifestă niciodată în experiența reală. Fizicienii nu văd cum este încălcată descrierea lui Einstein a unui continuu spațiu-timp neted sau apropierea cuantică a lui Bronstein într-o stare ușor curbată.
Problema constă în slăbiciunea extremă a forței gravitaționale. În timp ce particulele cuantificate care transmit forțe puternice, slabe și electromagnetice sunt atât de puternice încât leagă strâns materia în atomi și pot fi examinate literalmente sub o lupă, gravitonele sunt atât de slabe încât laboratoarele nu au nicio șansă să le detecteze. Pentru a prinde un graviton cu un grad ridicat de probabilitate, detectorul de particule trebuie să fie atât de mare și masiv încât să se prăbușească într-o gaură neagră. Această slăbiciune explică de ce sunt necesare acumulări de masă astronomică pentru a influența alte corpuri masive prin gravitație și de ce vedem efectele gravitaționale la scări uriașe.
Acesta nu este totul. Universul pare să fie supus unui fel de cenzură cosmică: zone de gravitație puternică - unde curbele spațiu-timp sunt atât de ascuțite încât ecuațiile lui Einstein eșuează, iar natura cuantică a gravitației și a spațiului-timp trebuie dezvăluite - se ascund întotdeauna în spatele orizonturilor găurilor negre.
„Chiar și cu câțiva ani în urmă, a existat un consens general potrivit căruia era foarte probabil imposibil să măsori cuantificarea câmpului gravitațional în vreun fel”, spune Igor Pikovsky, un fizician teoretic la Universitatea Harvard.
Video promotional:
Iată câteva lucrări recente publicate în Physical Review Letters care au schimbat situația. Aceste lucrări susțin că poate fi posibil să ajungem la gravitația cuantică - chiar și fără să știm nimic despre ea. Lucrările, scrise de Sugato Bose de la University College London și Chiara Marletto și Vlatko Vedral de la Universitatea din Oxford, oferă un experiment tehnic sofisticat, dar fezabil, care ar putea confirma că gravitația este o forță cuantică, ca toți ceilalți, fără a fi necesară detectarea gravitonului. Miles Blencoe, un fizic cuantic la Dartmouth College care nu a fost implicat în lucrare, spune că un astfel de experiment ar putea dezvălui o urmă clară de gravitație cuantică invizibilă - „zâmbetul pisicii Cheshire”.
Experimentul propus va determina dacă două obiecte - grupul Bose intenționează să folosească o pereche de microdiamondele - se împletesc cuant-mecanic între ele în procesul de atracție gravitațională reciprocă. Înțelegerea este un fenomen cuantic în care particulele se împletesc inseparabil, împărtășind o singură descriere fizică care definește posibilele lor stări combinate. (Coexistența diferitelor stări posibile se numește „superpoziție” și definește un sistem cuantic). De exemplu, o pereche de particule încurcate poate exista într-o superpoziție, în care particula A se va învârti de jos în sus cu o probabilitate de 50%, iar B - de sus în jos și invers cu o probabilitate de 50%. Nimeni nu știe dinainte ce rezultat veți obține atunci când măsurați direcția de rotire a particulelor, dar puteți fi sigur căcă vor avea la fel.
Autorii susțin că două obiecte din experimentul propus pot fi încurcate în acest mod numai dacă forța care acționează între ele - în acest caz gravitația - este o interacțiune cuantică mediată de gravitonii care pot susține superpoziții cuantice. „Dacă se realizează un experiment și se obține înțelegerea, potrivit lucrării, se poate concluziona că gravitația este cuantificată”, a explicat Blenkow.
Încurcați diamantul
Gravitatea cuantică este atât de subtilă, încât unii oameni de știință au pus la îndoială existența acesteia. Cunoscutul matematician și fizician Freeman Dyson, în vârstă de 94 de ani, a susținut încă din 2001 că universul poate susține un fel de descriere „dualistă”, în care „câmpul gravitațional descris de teoria generală a relativității a lui Einstein va fi un câmp pur clasic fără un comportament cuantic”. și toată materia din acest continuu spațiu-temporal va fi cuantificată de particule care respectă regulile probabilității.
Dyson, care a ajutat la dezvoltarea electrodinamicii cuantice (teoria interacțiunilor dintre materie și lumină) și este profesor emerit la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, nu crede că gravitația cuantică este necesară pentru a descrie adâncimile de neatins ale găurilor negre. De asemenea, el crede că detectarea unui graviton ipotetic poate fi în principiu imposibilă. În acest caz, spune el, gravitația cuantică va fi metafizică, nu fizică.
Nu este singurul sceptic. Celebrul fizician englez Sir Roger Penrose și omul de știință maghiar Lajos Diosi au presupus independent că spațiul-timp nu poate susține suprapunerea. Ei cred că natura sa netedă, solidă, fundamental clasică, îl împiedică să se aplece în două căi posibile în același timp - și această rigiditate este cea care duce la prăbușirea superpozițiilor sistemelor cuantice precum electronii și fotonii. „Decența gravitațională”, în opinia lor, permite o realitate unică, solidă, clasică, care poate fi simțită la scară macroscopică.
Găsirea unui „zâmbet” gravitativ cuantic ar părea să infirme argumentul lui Dyson. De asemenea, ucide teoria decenței gravitaționale, arătând că gravitația și spațiu-timp susțin superpozițiile cuantice.
Propunerile lui Bose și Marletto au apărut simultan și complet întâmplător, deși experții observă că reflectă spiritul vremurilor. Laboratoarele de fizică cuantică experimentală din întreaga lume pun obiecte microscopice tot mai mari în superpoziții cuantice și optimizează protocoale de testare pentru îmbinarea a două sisteme cuantice. Experimentul propus ar trebui să combine aceste proceduri, necesitând în același timp îmbunătățiri suplimentare la scară și sensibilitate; s-ar putea să dureze zece ani. „Dar nu există un punct mort fizic”, spune Pikovsky, care explorează, de asemenea, modul în care experimentele de laborator pot sonda fenomenele gravitaționale. "Cred că este dificil, dar nu imposibil."
Acest plan este prezentat mai detaliat în lucrările celor unsprezece experți ai lui Bose et al. Ocean pentru diferite faze ale propunerii. De exemplu, în laboratorul său de la Universitatea din Warwick, coautorul Gavin Morley lucrează la prima etapă, încercând să plaseze o microdiamondă într-o superpoziție cuantică în două locuri. Pentru a face acest lucru, el va cuprinde un atom de azot într-un micro-diamant, lângă o vacanță în structura de diamante (așa-numitul centru NV sau o vacantă substituită cu azot într-un diamant) și îl va încărca cu un impuls cu microunde. Un electron care se rotește în jurul centrului NV absoarbe simultan lumina și nu, iar sistemul merge într-o superpoziție cuantică a două direcții de rotire - în sus și în jos - ca un vârf care se rotește în sensul acelor de ceasornic cu o anumită probabilitate și în sensul acelor de ceasornic cu o anumită probabilitate. Un micro-diamant încărcat cu acest spin de superpoziție este expus unui câmp magnetic,ceea ce face ca spinul superior să se deplaseze spre stânga și spinul inferior spre dreapta. Diamantul în sine este împărțit într-o superpoziție a două traiectorii.
Într-un experiment complet, oamenii de știință trebuie să facă toate acestea cu două diamante - roșu și albastru, să zicem - situate una lângă alta într-un vid ultracold. Când capcana care le ține, două micro-diamante, fiecare într-o superpoziție de două poziții, vor cădea vertical în vid. Pe măsură ce diamantele cad, vor simți gravitatea fiecăruia dintre ei. Cât de puternică va fi atracția lor gravitațională?
Dacă gravitația este o interacțiune cuantică, răspunsul este: în funcție de ce. Fiecare componentă a superpoziției diamantului albastru va experimenta o atracție mai puternică sau mai slabă față de diamantul roșu, în funcție de faptul că aceasta din urmă se află în ramura superpoziției care este mai aproape sau mai departe. Iar gravitația pe care o va simți fiecare componentă a superpoziției unui diamant roșu depinde în mod similar de starea diamantului albastru.
În fiecare caz, diferite grade de atracție gravitațională afectează componentele în evoluție ale superpozițiilor cu diamante. Două diamante devin interdependente, deoarece stările lor nu pot fi determinate decât în combinație - dacă acest lucru înseamnă că - prin urmare, în cele din urmă, direcțiile rotirilor celor două sisteme ale centrelor NV vor fi corelate.
După ce microdiamondele vor cădea unul lângă altul timp de trei secunde - suficient pentru a se încurca în greutate - vor trece printr-un alt câmp magnetic, care va alinia din nou ramurile fiecărei superpoziții. Ultimul pas al experimentului este protocolul martorilor înțelegeri, dezvoltat de fizicianul danez Barbara Teral și alții: diamantele albastre și roșii intră pe diferite dispozitive care măsoară direcțiile de centrifugare ale sistemelor centrale NV. (Măsurarea duce la prăbușirea superpozițiilor în anumite stări). Apoi sunt comparate cele două rezultate. Prin rularea repetată a experimentului și compararea mai multor perechi de măsurători de centrifugare, oamenii de știință pot determina dacă rotirile a două sisteme cuantice au fost de fapt corelate mai des decât definirea unei limite superioare pentru obiecte care nu sunt cuplate mecanic cuantic. Dacă da,gravitația încurcă diamantele și poate menține suprapunerea.
„Ceea ce este interesant în acest experiment este că nu trebuie să știți care este teoria cuantică”, spune Blenkow. "Tot ce este necesar este să afirmăm că există un aspect cuantic în această zonă care este mediat de forța dintre cele două particule."
Există o mulțime de dificultăți tehnice. Cel mai mare obiect care a fost suprapus în două locuri înainte este o moleculă de 800 de atomi. Fiecare micro-diamant conține peste 100 de miliarde de atomi de carbon - suficient pentru a construi o forță gravitațională tangibilă. Dezambalarea naturii sale mecanice cuantice va necesita temperaturi scăzute, vid adânc și control precis. „Este foarte multă muncă implicată în configurarea superpoziției inițiale și declanșarea”, spune Peter Barker, membru al unei echipe experimentale care îmbunătățește tehnicile de răcire cu laser și captarea micro-diamantelor. Dacă s-ar putea face cu un singur diamant, Bose adaugă, „al doilea nu va fi o problemă”.
Ce face gravitația unică?
Cercetătorii cu privire la gravitația cuantică nu au nici o îndoială că gravitația este o interacțiune cuantică care poate provoca înțelegeri. Desigur, gravitația este oarecum unică și încă mai sunt multe de învățat despre originile spațiului și timpului, însă mecanica cuantică ar trebui să fie implicată cu siguranță, spun oamenii de știință. "Ei, într-adevăr, care este rostul unei teorii în care o mare parte din fizică este cuantică și gravitația este clasică", spune Daniel Harlow, un cercetător cu gravitație cuantică la MIT. Argumentele teoretice împotriva modelelor cuantice-clasice mixte sunt foarte puternice (deși nu sunt concludente).
Pe de altă parte, teoreticienii au greșit înainte. „Dacă puteți verifica, de ce nu? Dacă ar tăcea acești oameni care pun la îndoială cantitatea gravitației, ar fi grozav”, a spus Harlow.
După ce a citit lucrările, Dyson a scris: „Experimentul propus este, fără îndoială, de mare interes și necesită realizarea în condițiile unui sistem cuantic real.” Cu toate acestea, observă că direcția de gândire a autorilor despre câmpurile cuantice este diferită de a sa. „Nu îmi este clar dacă acest experiment va putea rezolva problema existenței gravitației cuantice. Întrebarea pe care mi-am pus-o dacă observăm un graviton separat - este o altă întrebare și poate avea un răspuns diferit."
Linia de gândire a lui Bose, Marletto și colegii lor despre gravitația cuantificată provine din activitatea lui Bronstein din 1935. (Dyson a numit opera lui Bronstein „lucrare frumoasă” pe care nu o mai văzuse până acum). În special, Bronstein a arătat că gravitația slabă generată de masă scăzută poate fi aproximată de legea gravitației a lui Newton. (Aceasta este forța care acționează între superpozițiile microdiamondelor). Potrivit lui Blencoe, nu au fost efectuate în special calcule ale gravitației cuantificate slabe, deși sunt cu siguranță mai relevante decât fizica găurilor negre sau Big Bang. El speră că noua propunere experimentală îi va încuraja pe teoreticieni să caute rafinări subtile la aproximarea newtoniană, pe care viitoarele experimente de pe masă ar putea încerca să le testeze.
Leonard Susskind, un renumit gravitar cuantic și teoretician de coarde la Universitatea Stanford, a văzut valoarea experimentului propus, deoarece „oferă observații ale gravitației pe o nouă gamă de mase și distanțe”. Dar el și alți cercetători au subliniat că microdiamondele nu pot dezvălui nimic despre o teorie completă a gravitației cuantice sau spațiu. El și colegii săi ar dori să înțeleagă ce se întâmplă în centrul unei găuri negre și în momentul Big Bang.
Poate unul dintre indicii cu privire la motivul pentru care gravitația este atât de greu de cuantificat decât orice altceva este că alte forțe ale naturii au așa-numita „localitate”: particulele cuantice dintr-o regiune a câmpului (fotonii dintr-un câmp electromagnetic, de exemplu) sunt „independenți de alte entități fizice dintr-o altă zonă a spațiului”, spune Mark van Raamsdonk, un teoretician al gravitației cuantice la Universitatea din Columbia Britanică. „Dar există o mulțime de dovezi teoretice că gravitația nu funcționează în acest fel”.
În cele mai bune modele de nisip cu greutate cuantică (cu geometrii simplificate spațiu-timp), este imposibil să presupunem că țesătura spațiu-timp a benzii este împărțită în piese tridimensionale independente, spune Van Raamsdonk. În schimb, teoria modernă sugerează că elementele constitutive fundamentale ale spațiului sunt „mai degrabă organizate bidimensional”. Materialul spațiu-timp poate fi ca o hologramă sau un joc video. "Deși imaginea este tridimensională, informațiile sunt stocate pe un cip computerizat bidimensional." În acest caz, lumea tridimensională va fi o iluzie în sensul că diversele sale părți nu sunt atât de independente. Similar unui joc video, câțiva biți de pe un cip bidimensional pot codifica funcțiile globale ale întregului univers al jocului.
Iar această diferență contează atunci când încercați să creați o teorie cuantică a gravitației. Abordarea obișnuită a cuantificării a ceva este definirea părților sale independente - particule, de exemplu - și apoi aplicarea lor mecanică cuantică. Dar dacă nu identificați componentele corecte, ajungeți cu ecuații greșite. Cuantificarea directă a spațiului tridimensional pe care Bronstein a dorit să-l facă funcționează într-o oarecare măsură cu o gravitate slabă, dar se dovedește a fi inutilă atunci când spațiul este sever curbat.
Unii experți spun că asistarea la „zâmbetul” gravitației cuantice poate motiva acest tip de raționament abstract. Până la urmă, chiar și cele mai puternice argumente teoretice despre existența gravitației cuantice nu sunt susținute de dovezi experimentale. Când Van Raamsdonk explică cercetările sale într-un colocviu de oameni de știință, spune el, de obicei, începe cu a spune cum gravitația trebuie regândită cu mecanica cuantică, deoarece descrierea clasică a spațiului se descompune la găurile negre și Big Bang.
„Dar dacă faceți acest simplu experiment și arătați că câmpul gravitațional era în suprapunere, eșecul descrierii clasice devine evident. Pentru că va exista un experiment care implică faptul că gravitația este cuantică”.
Bazat pe materiale din Revista Quanta
Ilya Khel