Imamo svaki razlog da vjerujemo da je gravitacija svojstveno kvantnoj teoriji. Ali kako to možemo dokazati jednom zauvijek? O tome govori dr. Sabina Nossenfelder, teorijska fizičarka, stručnjakinja za kvantnu gravitaciju i fiziku visoke energije. Dalje od prve osobe.
Ako imate dobar vid, najmanji predmeti koje možete vidjeti bit će otprilike jedna desetina milimetra: o širini ljudske dlake. Dodajte tehnologiju, a najmanja struktura koju smo dosad uspjeli izmjeriti iznosila je oko 10-19 metara, što je valna duljina protona koji se sudaraju na LHC. Trebalo nam je 400 godina da prođemo od najprimitivnijeg mikroskopa do izgradnje LHC-a - poboljšanja za 15 reda veličine tijekom četiri stoljeća.
Procjenjuje se da kvantni učinci gravitacije postaju relevantni na udaljenosti od oko 10-35 metara, poznatoj kao Planckova duljina. Ovo je još 16 redoslijeda putanje magnitude ili drugi faktor 1016 u pogledu energije sudara. Zbog toga se pitate je li to uopće moguće ili će svi napori u pokušaju pronalaska kvantne teorije gravitacije zauvijek ostati fiktivna fikcija.
Optimista sam. Povijest znanosti puna je ljudi koji su mislili da je mnogo toga nemoguće, ali u stvarnosti se pokazalo obrnuto: mjerenje odbojnosti svjetlosti u gravitacijskom polju Sunca, strojevi jači od zraka, otkrivanje gravitacijskih valova. Stoga ne smatram nemogućim eksperimentalno testirati kvantnu gravitaciju. Može proći desetine ili stotine godina - ali ako se nastavimo kretati, možda ćemo jednog dana moći izmjeriti učinke kvantne gravitacije. Ne nužno direktnim dosegom sljedećih 16 reda veličine, već posrednim otkrivanjem na nižim energijama.
Ali iz ničega se ništa ne rađa. Ako ne razmišljamo o tome kako bi se efekti kvantne gravitacije mogli pokazati i gdje bi se mogli pojaviti, definitivno ih nikada nećemo pronaći. Moj optimizam podstiče rastući interes za fenomenologiju kvantne gravitacije, istraživačkog područja posvećenog istraživanju kako najbolje potražiti manifestacije efekata kvantne gravitacije.
Kako nije pronađena dosljedna teorija za kvantnu gravitaciju, trenutni napori da se pronađu opaženi fenomeni usmjereni su na pronalaženje načina za ispitivanje općih obilježja teorije, traženjem svojstava koja su pronađena u nekim različitim pristupima kvantnoj gravitaciji. Na primjer, kvantne fluktuacije u prostornom vremenu ili prisutnost "minimalne duljine" koja će označavati temeljnu granicu razlučivosti. Takvi bi se efekti mogli utvrditi pomoću matematičkih modela, a zatim bi se mogla procijeniti snaga ovih mogućih učinaka i razumjeti koji eksperimenti bi mogli dati najbolje rezultate.
Ispitivanje kvantne gravitacije dugo se smatralo izvan dosega eksperimenata, sudeći prema procjenama, potreban nam je sudarač veličine Mliječnog Puta za ubrzanje protona koji je dovoljan za proizvodnju mjerljivog broja gravitona (kvanta gravitacijskog polja) ili nam je potreban detektor veličine Jupitera za mjerenje gravitona koji se rađaju svugdje. Nije nemoguće, ali svakako nije nešto što bi trebalo očekivati u skoroj budućnosti.
Promotivni video:
Takvi se argumenti, međutim, tiču samo izravnog otkrivanja gravitona, a to nije jedina manifestacija učinaka kvantne gravitacije. Mnogo je drugih promatranih posljedica koje kvantna gravitacija može proizvesti, od kojih smo neke već tražili, a neke od kojih planiramo potražiti. Za sada su naši rezultati čisto negativni. Ali čak i negativne su vrijedne jer nam govore koja svojstva teorija koja nam je potrebna ne mora imati.
Primjerice, jedna kvantna posljedica kvantne gravitacije može biti kršenje simetrije, temeljno za posebnu i opću relativnost, poznatu kao Lorentzova invarijancija. Zanimljivo je da kršenja Lorentzove invarijancije nisu nužno mala, čak i ako su stvorena na udaljenostima koja su premala da bi se primijetila. Razbijanje simetrije, s druge strane, imat će nevjerojatnu preciznost kroz reakcije mnogih čestica na raspoložive energije. Još nisu pronađeni dokazi o kršenju invazije Lorentz. Možda djeluje rijetko, ali znajući da se ta simetrija mora promatrati s najvišim stupnjem točnosti u kvantnoj gravitaciji, ovo možete koristiti u razvoju teorije.
Ostale provjerljive posljedice mogu biti unutar slabog polja kvantne gravitacije. U ranom Svemiru, kvantne fluktuacije u prostoru-vremenu trebale su dovesti do kolebanja temperature koja nastaju u materiji. Ova fluktuacija temperature uočena je danas i utisnuta je u pozadinsko zračenje (CMB). Otisak "primarnih gravitacijskih valova" na kozmičkoj mikrovalnoj pozadini još nije izmjeren (LIGO nije dovoljno osjetljiv na njega), ali očekuje se da će biti unutar jednog do dva reda veličine magnetske točnosti mjerenja. Mnoge eksperimentalne suradnje rade na potrazi za ovim signalom, uključujući BICEP, POLARBEAR i opservatorij Planck.
Drugi način testiranja ograničenja kvantne gravitacije slabog polja je pokušaj uvođenja velikih objekata u kvantnu superpoziciju: predmeti koji su mnogo teži od elementarnih čestica. To će gravitacijsko polje ojačati i potencijalno testirati njegovo kvantno ponašanje. Najteži predmeti koje smo do sada uspjeli vezati u superpoziciju teže oko nanograma, što je nekoliko reda manje nego što je potrebno za mjerenje gravitacijskog polja. No nedavno je skupina znanstvenika u Beču predložila eksperimentalnu shemu koja će nam omogućiti da gravitacijsko polje izmjerimo mnogo preciznije nego prije. Polako se približavamo kvantnom rasponu gravitacije.
(Imajte na umu da se ovaj izraz razlikuje u astrofizikama, gdje se "jaka gravitacija" ponekad koristi za označavanje nečeg drugog, kao što su velika odstupanja od newtonske gravitacije koja se mogu naći u blizini horizonta događaja crne rupe.)
Snažni učinci kvantne gravitacije također bi mogli ostaviti trag (osim slabih efekata polja) u CMB-u (reliktno zračenje), posebno u vrsti korelacija koje se mogu naći između fluktuacija. Postoje različiti modeli kosmologije strune i kozmologije kvantne petlje koji proučavaju vidljive posljedice, a predloženi eksperimenti poput EUCLID, PRISM i tada WFIRST mogu pronaći rane indikacije.
Postoji još jedna zanimljiva ideja, utemeljena na nedavnom teoretskom nalazu, prema kojem gravitacijski kolaps materije ne mora uvijek tvoriti crnu rupu - cijeli će sustav izbjeći stvaranje horizonta. Ako je to slučaj, preostali će nam objekt pružiti prikaz regije s kvantnim gravitacijskim efektima. Nije, međutim, jasno na koje bismo signale trebali tražiti da pronađemo takav objekt, ali ovo je obećavajući smjer pretraživanja.
Ima puno ideja. Velika klasa modela bavi se mogućnošću da kvantna gravitaciona svojstva daju prostornom vremenu svojstva medija. To može dovesti do raspršivanja svjetla, dvospolnog svjetla, dekoncentracije ili neprozirnosti prostora. Ne možete reći o svemu odjednom. Ali, bez sumnje, ostaje još puno toga. Već je započela potraga za dokazima da je gravitacija zaista kvantna sila.
ILYA KHEL