Sadržaj:

Fizičari Su Pronašli Način Da Vide "osmijeh" Kvantne Gravitacije - Alternativni Prikaz
Fizičari Su Pronašli Način Da Vide "osmijeh" Kvantne Gravitacije - Alternativni Prikaz

Video: Fizičari Su Pronašli Način Da Vide "osmijeh" Kvantne Gravitacije - Alternativni Prikaz

Video: Fizičari Su Pronašli Način Da Vide "osmijeh" Kvantne Gravitacije - Alternativni Prikaz
Video: 8 удивительных садовых плантаторов, которые сделают вас счастливыми и улыбчивыми 2023, Ožujak
Anonim

1935. godine, kada su kvantna mehanika i Einsteinova opća teorija relativnosti bili vrlo mladi, ne tako poznati sovjetski fizičar Matvei Bronstein, u dobi od 28 godina, napravio je prvu detaljnu studiju o usklađivanju ove dvije teorije u kvantnoj teoriji gravitacije. Ta bi "možda teorija cijelog svijeta", kako je napisao Bronstein, mogla zamijeniti Einsteinov klasični opis gravitacije u kojem se vidi kao krivulje u kontinuumu prostor-vrijeme i prepisati je u kvantni jezik, kao i sva druga fizika.

Bronstein je smislio kako da opiše gravitaciju u smislu kvantiziranih čestica, koje se danas nazivaju gravitoni, ali samo kad je sila gravitacije slaba - to je (općenito relativnost) kada je prostorno vrijeme tako slabo zakrivljeno da je praktično ravno. Kad je gravitacija snažna, "situacija je potpuno drugačija", napisao je znanstvenik. "Bez duboke revizije klasičnih koncepata, čini se gotovo nemogućim predstaviti kvantnu teoriju gravitacije na ovom području."

Image
Image

Njegove su riječi bile proročke. Osamdeset i tri godine kasnije, fizičari još uvijek pokušavaju shvatiti kako se prostorno-vremenska zakrivljenost očituje na makroskopskoj ljestvici, proizilazeći iz temeljnije i navodno kvantne slike gravitacije; možda najdublje pitanje u fizici. Možda bi, kad bi postojala prilika, sjajna glava Bronsteina ubrzala postupak ove potrage. Osim kvantne gravitacije, dao je i doprinose astrofizikama i kosmologiji, teoriji poluvodiča, kvantnoj elektrodinamici i napisao nekoliko knjiga za djecu. 1938. pao je pod staljinističku represiju i pogubljen je u dobi od 31 godine.

Поиск полной теории квантовой гравитации осложняется тем, что квантовые свойства гравитации никогда не проявляются в реальном опыте. Физики не видят, как нарушается эйнштейново описание гладкого пространственно-временного континуума, либо бронштейново квантовое приближение его в слабо искривленном состоянии.

Problem leži u krajnjoj slabosti gravitacijske sile. Iako su kvantizirane čestice koje prenose snažne, slabe i elektromagnetske sile toliko jake da čvrsto vezuju materiju u atome i mogu se pregledati doslovno pod povećalom, gravitoni pojedinačno toliko su slabi da ih laboratorije nemaju šansu otkriti. Da bi uhvatio graviton s velikim stupnjem vjerojatnosti, detektor čestica mora biti toliko velik i masivan da se sruši u crnu rupu. Ta slabost objašnjava zašto su astronomska nakupljanja mase potrebna da bi utjecala na druga masivna tijela putem gravitacije i zašto vidimo gravitacijske efekte na ogromnim skalama.

Ovo nije sve. Čini se da je svemir podložan nekakvoj kozmičkoj cenzuri: područja jake gravitacije - gdje su krivulje prostora i vremena toliko oštre da Einsteinove jednadžbe propadnu, a kvantna priroda gravitacije i prostora-vremena mora se otkriti - uvijek se kriju iza horizonta crnih rupa.

"Još prije nekoliko godina postojalo je opće stajalište da je najvjerojatnije nemoguće na bilo koji način izmjeriti kvantizaciju gravitacijskog polja", kaže Igor Pikovsky, teorijski fizičar na Sveučilištu Harvard.

Promotivni video:

I evo nekih nedavnih radova objavljenih u Physical Review Letters koji su promijenili situaciju. Ovi radovi tvrde da je moguće doći do kvantne gravitacije - čak i ako o tome ništa ne znamo. Radovi, koji su napisali Sugato Bose sa University College London i Chiara Marletto i Vlatko Vedral sa Sveučilišta u Oxfordu, predlažu tehnički zahtjevan, ali izvediv eksperiment koji bi mogao potvrditi da je gravitacija kvantna sila kao i svi drugi, a da ne zahtijeva otkrivanje gravitona. Miles Blencoe, kvantni fizičar s koledža u Dartmouthu koji nije bio uključen u rad, kaže da bi takav eksperiment mogao otkriti jasan trag nevidljive kvantne gravitacije - "osmijeha Cheshire Mačke".

Image
Image

Predloženi eksperiment će odrediti hoće li dva objekta - grupa Bose planirati upotrijebiti par mikro-dijamanata - postati kvantno mehanički zapletena među sobom u procesu međusobne gravitacijske privlačnosti. Zapletenost je kvantni fenomen u kojem se čestice preklapaju, dijeleći jedan fizički opis koji definira njihova moguća kombinirana stanja. (Suživot različitih mogućih stanja naziva se "superpozicija" i definira kvantni sustav). Na primjer, par zapletenih čestica može postojati u superpoziciji, u kojoj će se čestica A vrtjeti odozdo prema gore s 50% vjerojatnosti, a B - od vrha do dna, i obrnuto s vjerojatnošću od 50%. Nitko ne zna unaprijed kakav ćete rezultat dobiti pri mjerenju smjera vrtnje čestica, ali možete biti sigurni u toda će imati isto.

Autori tvrde da se dva predmeta u predloženom eksperimentu mogu zapleteti na ovaj način samo ako je sila koja djeluje između njih - u ovom slučaju gravitacija - kvantna interakcija posredovana gravitonima koja mogu poduprijeti kvantne superpozicije. "Ako se provede eksperiment i dobije zapletenost, prema radu, može se zaključiti da se gravitacija kvantizira", objasnio je Blenkow.

Upleteni dijamant

Kvantna gravitacija toliko je suptilna da su neki znanstvenici doveli u pitanje njeno postojanje. Renomirani matematičar i fizičar Freeman Dyson (94) tvrdi od 2001. da svemir može podržati svojevrsni "dualistički" opis u kojem će "gravitacijsko polje opisano Einsteinovom općom teorijom relativnosti biti čisto klasično polje bez kvantnog ponašanja". a sva materija u ovom glatkom prostorno-vremenskom kontinuumu kvantizirat će se česticama koje se pridržavaju pravila vjerojatnosti.

Dyson, koji je pomogao razviti kvantnu elektrodinamiku (teoriju o interakciji materije i svjetlosti) i profesor emeritus s Instituta za napredni studij u Princetonu, New Jersey, ne vjeruje da je kvantna gravitacija nužna za opisivanje nedostižnih dubina crnih rupa. A vjeruje i da otkrivanje hipotetičkog gravitona u principu možda nije moguće. U ovom slučaju, kaže, kvantna gravitacija bit će metafizička, a ne fizička.

Nije jedini skeptik. Poznati engleski fizičar Sir Roger Penrose i mađarski znanstvenik Lajos Diosi neovisno su pretpostavili da prostor-vrijeme ne može poduprijeti superpoziciju. Oni vjeruju da njegova glatka, čvrsta, u osnovi klasična priroda sprječava da se istovremeno savija na dva moguća putanja - i upravo ta krutost dovodi do urušavanja superpozicije kvantnih sustava poput elektrona i fotona. Gravitacijska dekoncentracija, prema njihovom mišljenju, omogućava da se dogodi jedinstvena, čvrsta, klasična stvarnost, koja se može osjetiti na makroskopskoj skali.

Pronalazak "osmijeha" kvantne gravitacije čini se da opovrgava Dysonov argument. Također ubija teoriju gravitacijskog dekoherencije pokazujući da gravitacija i prostor-vrijeme podržavaju kvantne superpozicije.

Prijedlozi Bosea i Marletta pojavili su se istovremeno i potpuno slučajno, iako stručnjaci primjećuju da odražavaju duh vremena. Eksperimentalne laboratorije za kvantnu fiziku širom svijeta stavljaju sve veće mikroskopske objekte u kvantne superpozicije i optimiziraju ispitne protokole za vezivanje dva kvantna sustava. Predloženi eksperiment trebao bi kombinirati te postupke uz istodobno daljnje poboljšanje razmjera i osjetljivosti; moglo bi proći deset godina. "Ali ne postoji fizička slijepa ulica", kaže Pikovsky, koji također istražuje kako laboratorijski eksperimenti mogu ispitivati gravitacijske pojave. "Mislim da je teško, ali nije nemoguće."

Taj je plan detaljnije opisan u radu jedanaest stručnjaka za različite faze prijedloga Bose i sur. Ocean. Primjerice, u svojoj laboratoriji na Sveučilištu u Warwicku, koautor Gavin Morley radi na prvoj fazi, pokušavajući postaviti mikrodijamant u kvantnu superpoziciju na dva mjesta. Da bi to učinio, on će u mikro-dijamant zatvoriti atom dušika, pored slobodnog mjesta u dijamantskoj strukturi (tzv. NV centar ili dušično supstituirano mjesto u dijamantu), i napuniti ih mikrovalnim impulsom. Elektroni koji se okreću oko NV središta istovremeno apsorbiraju svjetlost i ne, a sustav ide u kvantnu superpoziciju dva smjera vrtnje - gore-dolje - poput vrha, koji se s određenom vjerojatnošću rotira u smjeru kazaljke na satu i suprotnom smjeru kazaljke na satu. Mikro-dijamant nabijen ovom superpozicijskom spinom izložen je magnetskom polju,zbog čega se gornji spin okreće ulijevo, a donji se okreće udesno. Sam dijamant je podijeljen u superpoziciju dviju putanja.

U punom eksperimentu, znanstvenici to moraju učiniti s dva dijamanta - crvenim i plavim, recimo - smještenim jedan pored drugog u ultrahladnom vakuumu. Kad se zamka koja ih drži ugasi, dva mikro-dijamanta, svaki u superpoziciji dva položaja, okomito će pasti u vakuum. Dok dijamanti opadaju, osjetit će težinu svakog od njih. Koliko će jak njihov gravitacijski potez biti?

Ako je gravitacija kvantna interakcija, odgovor je: ovisno o tome. Svaka komponenta superpozicije plavog dijamanta osjetit će jaču ili slabiju privlačnost crvenog dijamanta, ovisno o tome nalazi li se on u granici superpozicije koja je bliža ili dalje. A gravitacija koju će osjetiti svaka komponenta superpozicije crvenog dijamanta slično ovisi o stanju plavog dijamanta.

U svakom slučaju različiti stupnjevi gravitacijskog privlačenja utječu na razvijajuće se komponente dijamantskih superpozicija. Dva dijamanta postaju međusobno ovisna jer se njihova stanja mogu odrediti samo u kombinaciji - ako to znači da će - u konačnici, pravci spinova dvaju sustava NV središta biti korelirani.

Nakon što mikro dijamanti tri sekunde padnu jedan pored drugog - dovoljno da se zaplete u gravitaciju - oni prolaze kroz drugo magnetsko polje, koje će opet uskladiti grane svakog superpozicije. Posljednji korak eksperimenta je protokol svjedočenja upetljanja koji je razvila danska fizičarka Barbara Teral i drugi: plavi i crveni dijamanti ulaze u različite uređaje koji mjere smjerove vrtnje NV-središta. (Mjerenje dovodi do urušavanja superpozicija u određena stanja). Zatim se uspoređuju dva rezultata. Izvodeći eksperiment iznova i iznova i uspoređujući više pari spin mjerenja, znanstvenici mogu utvrditi jesu li vrtnje dva kvantna sustava u stvari međusobno korelirani češće nego što su definirali gornju granicu za objekte koji nisu kvantno mehanički upleteni. Ako je tako,gravitacija zaplete dijamante i može održati superpoziciju.

"Ono što je zanimljivo u ovom eksperimentu je da ne morate znati što je kvantna teorija", kaže Blenkow. "Sve što je potrebno jest ustvrditi da u ovom području postoji neki kvantni aspekt koji je posredovan silom između dviju čestica."

Ima puno tehničkih poteškoća. Najveći objekt koji je prije bio postavljen na dva mjesta je molekula 800 atoma. Svaki mikro-dijamant sadrži preko 100 milijardi atoma ugljika - dovoljno za izgradnju opipljive gravitacijske sile. Za otpakiranje njegove kvantne mehaničke prirode bit će potrebne niske temperature, dubok vakuum i precizna kontrola. "Puno je posla uključeno u postavljanje početne superpozicije i pokretanje", kaže Peter Barker, član eksperimentalnog tima koji poboljšava tehnike laserskog hlađenja i mikro-dijamanta. Ako se to može učiniti s jednim dijamantom, dodaje Bose, "drugi neće biti problem."

Što gravitaciju čini jedinstvenom?

Istraživači kvantne gravitacije nemaju nikakve sumnje da je gravitacija kvantna interakcija koja može prouzročiti zaplet. Naravno, gravitacija je pomalo jedinstvena i još se mnogo toga treba naučiti o podrijetlu prostora i vremena, ali kvantna mehanika definitivno bi trebala biti uključena, tvrde znanstvenici. "Pa, stvarno, u čemu je smisao u teoriji gdje je većina fizike kvantna, a gravitacija klasična", kaže Daniel Harlow, istraživač kvantne gravitacije na MIT-u. Teorijski argumenti protiv miješanih kvantno-klasičnih modela vrlo su snažni (iako nisu konačni).

S druge strane, teoretičari su prije bili u krivu. "Ako možete provjeriti, zašto ne? Ako utiša ove ljude koji dovode u pitanje kvantitet gravitacije, bilo bi sjajno ", rekao je Harlow.

Nakon čitanja radova, Dyson je napisao: "Predloženi eksperiment nesumnjivo je od velikog interesa i zahtijeva provođenje u uvjetima stvarnog kvantnog sustava." Međutim, napominje da se smisao mišljenja autora o kvantnim poljima razlikuje od njegove. "Nije mi jasno hoće li ovaj eksperiment uspjeti riješiti pitanje postojanja kvantne gravitacije. Pitanje koje sam postavio - promatramo li zaseban graviton - drugo je pitanje i možda ima drugačiji odgovor."

Linija razmišljanja Bosea, Marletta i njihovih kolega o kvantiziranoj gravitaciji proizlazi iz djela Bronsteina već 1935. godine. (Dyson je Bronsteinovo djelo nazvao "lijepim radom" kojeg ranije nije vidio). Konkretno, Bronstein je pokazao da se slaba gravitacija stvorena niskom masom može aproksimirati Newtonovim zakonom gravitacije. (Ovo je sila koja djeluje između superpozicija mikro dijamanata). Prema Blencoeju, proračuni slabe kvantizirane gravitacije nisu posebno provedeni, iako su svakako relevantniji od fizike crnih rupa ili Velikog praska. Nada se da će novi eksperimentalni prijedlog potaknuti teoretičare na traženje suptilnih preciziranja Newtonove aproksimacije, što bi budući pokusni eksperimenti mogli pokušati testirati.

Leonard Susskind, poznati kvantni gravitacijski i teoretičar struna na Sveučilištu Stanford, uvidio je vrijednost predloženog eksperimenta jer "pruža promatranje gravitacije u novom rasponu masa i udaljenosti". Ali on i drugi istraživači ističu da mikrodijamanti ne mogu otkriti ništa o cjelovitoj teoriji kvantne gravitacije ili svemirskog vremena. On i njegove kolege željeli bi razumjeti što se događa u središtu crne rupe i u vrijeme Velikog praska.

Možda je jedan od tragova zašto je gravitaciju toliko teže kvantificirati nego bilo što drugo, to što druge prirodne sile imaju takozvano "lokalitet": kvantne čestice u jednom području polja (na primjer, fotoni u elektromagnetskom polju) su "neovisni o drugim fizičkim entitetima u drugom prostoru svemira ", kaže Mark van Raamsdonk, teoretičar kvantne gravitacije na Sveučilištu British Columbia. "Ali postoji puno teorijskih dokaza da gravitacija ne djeluje na taj način."

U najboljim modelima kvantne gravitacije pijeska (s pojednostavljenim prostorno-vremenskim geometrijama) nemoguće je pretpostaviti da je traka prostor-vremena tkanina podijeljena na neovisne trodimenzionalne komade, kaže van Raamsdonk. Umjesto toga, suvremena teorija sugerira da su temeljni, temeljni sastojci prostora "prilično dvodimenzionalno organizirani." Tkanina prostora-vremena može biti poput holograma ili videoigre. "Iako je slika trodimenzionalna, informacije se spremaju na dvodimenzionalni računalni čip." U ovom će slučaju trodimenzionalni svijet biti iluzija u smislu da njegovi različiti dijelovi nisu tako neovisni. Slično kao u videoigri, nekoliko bita na dvodimenzionalnom čipu može kodirati globalne funkcije cijelog svemira igara.

A ta je razlika važna kada pokušavate stvoriti kvantnu teoriju gravitacije. Uobičajeni pristup kvantiziranju nečega je definiranje njegovih neovisnih dijelova - na primjer, čestica - i na njih primjena kvantne mehanike. Ali ako ne identificirate ispravne sastavne dijelove, na kraju ćete dobiti pogrešne jednadžbe. Izravna kvantizacija trodimenzionalnog prostora, koju je Bronstein želio raditi, djeluje u određenoj mjeri sa slabom gravitacijom, ali ispada da je beskorisna kada je prostorno vrijeme visoko zakrivljeno.

Neki stručnjaci kažu da svjedočenje „osmijeha“kvantne gravitacije može motivirati takvo apstraktno rezonovanje. Napokon, ni najglasniji teorijski argumenti o postojanju kvantne gravitacije nisu potkrijepljeni eksperimentalnim dokazima. Kad van Raamsdonk objašnjava svoja istraživanja u kolokviju znanstvenika, on obično započinje s opisom kako gravitaciju treba preispitati kvantnom mehanikom jer se klasični opis svemira razgrađuje na crne rupe i Veliki prasak.

"Ali ako napravite ovaj jednostavan eksperiment i pokažete da je gravitacijsko polje bilo u superpoziciji, neuspjeh klasičnog opisa postaje očit. Jer će se dogoditi eksperiment koji implicira da je gravitacija kvantna."

Na temelju materijala iz časopisa Quanta

Ilya Khel

Popularno po temi