1935. године, када су квантна механика и Аинстеинова општа теорија релативности били врло млади, не тако познати совјетски физичар Матвеи Бронстеин, у доби од 28 година, направио је прву детаљну студију о помирењу ове две теорије у квантној теорији гравитације. Ова, „можда теорија целог света“, како је написао Бронстеин, могла би заменити Еинстеинов класични опис гравитације у коме се она види као кривуље у континууму простор-време и преписати је на квантни језик, као и све остале физике.
Бронстеин је смислио како да опише гравитацију у смислу квантизованих честица, које се данас зову гравитони, али само кад је сила гравитације слаба - то је (у целини релативност) када је просторно време тако слабо закривљено да је практично равно. Када је гравитација снажна, „ситуација је потпуно другачија“, написао је научник. "Без дубоке ревизије класичних концепата, чини се готово немогућим представити квантну теорију гравитације у овом подручју."
- Салик.биз
Његове речи биле су пророчке. Осамдесет три године касније, физичари још увек покушавају да разумеју како се просторно-временска закривљеност манифестује на макроскопском нивоу, произилазећи из фундаменталније и наводно квантне слике гравитације; можда најдубље питање у физици. Можда би, да постоји прилика, сјајна глава Бронстеина убрзала процес ове потраге. Поред квантне гравитације, дао је и доприносе астрофизикама и космологији, теорији полуводича, квантној електродинамици и написао неколико књига за децу. 1938. године пао је под стаљинистичку репресију и погубљен је у 31. години.
Потрага за потпуном теоријом квантне гравитације компликована је чињеницом да се квантна својства гравитације никада не показују у стварном искуству. Физичари не виде како је кршен Еинстеинов опис глатког просторно-временског континуума или његова Бронстеинова квантна апроксимација у благо закривљеном стању.
Проблем лежи у крајњој слабости гравитационе силе. Иако су квантизоване честице које преносе снажне, слабе и електромагнетске силе толико јаке да чврсто везују материју у атоме и могу се прегледати буквално под лупом, гравитони појединачно су толико слаби да их лабораторије немају шансу да открију. Да би ухватио гравитон са великим степеном вероватноће, детектор честица мора бити толико велик и масиван да се сруши у црну рупу. Ова слабост објашњава зашто су потребна астрономска накупљања масе да би утицала на друга масивна тела путем гравитације и зашто видимо гравитационе ефекте на огромним вагама.
Ово није све. Чини се да је свемир подвргнут некој врсти космичке цензуре: подручја јаке гравитације - где су кривуље простора и времена толико оштре да Еинстеинове једнаџбе пропадну, а квантна природа гравитације и простора-времена мора бити откривена - увек се крију иза хоризонта црних рупа.
„Још пре неколико година постојао је општи консензус да је највероватније било немогуће на било који начин измерити квантизацију гравитационог поља“, каже Игор Пиковски, теоријски физичар са Харвард универзитета.
Промотивни видео:
И ево неких недавних радова објављених у Писма физичког прегледа који су променили ситуацију. Ови радови тврде да је могуће доћи до квантне гравитације - чак и ако се о томе ништа не зна. Радови, који су написали Сугато Босе са Универзитетског колеџа у Лондону и Цхиара Марлетто и Влатко Ведрал са Универзитета у Окфорду, предлажу технички изазован, али изведив експеримент који би могао да потврди да је гравитација квантна сила као и сви други, а да не захтева детекцију гравитона. Милес Бленцое, квантни физичар са Дартмоутх Цоллегеа који није био укључен у рад, каже да би такав експеримент могао открити јасан траг невидљиве квантне гравитације - "осмеха Цхесхире Цат".
Предложени експеримент ће одредити да ли ће два објекта - група Босе планирати да користи пар микро-дијаманата - постати квантно механички заплетена међу собом у процесу међусобне гравитационе привлачности. Заплетеност је квантна појава у којој се честице преклапају, делећи јединствени физички опис који дефинише њихова могућа комбинована стања. (Суживот различитих могућих стања назива се „суперпозиција“и дефинише квантни систем). На пример, пар заплетених честица може постојати у суперпозицији, у којој ће се честица А вртети одоздо према горе са 50% вероватноћом, а Б - одозго према дну, и обрнуто са 50% вероватноћом. Нитко не зна унапријед какав ћете резултат добити при мјерењу смјера вртње честица, али можете бити сигурни у тода ће имати исто.
Аутори тврде да се два предмета у предложеном експерименту могу заплести на овај начин само ако сила која делује између њих - у овом случају гравитација - је квантна интеракција посредована гравитонима која могу подржати квантне суперпозиције. "Ако се изврши експеримент и добије заплет, према папиру, може се закључити да се гравитација квантизира", објаснио је Бленков.
Уплетени дијамант
Квантна гравитација је толико суптилна да су неки научници довели у питање њено постојање. Реномирани математичар и физичар Фрееман Дисон (94) тврди од 2001. године да свемир може подржати својеврсни "дуалистички" опис у којем ће "гравитационо поље описано Еинстеиновом опћом теоријом релативности бити чисто класично поље без квантног понашања". и сва материја у овом глатком просторно-временском континууму квантизоват ће се честицама које се придржавају правила вероватноће.
Дајсон, који је помогао у развоју квантне електродинамике (теорија интеракција материје и светлости) и професор емеритус на Институту за напредни рад у Принцетону у Њу Џерсију, не верује да је квантна гравитација неопходна за описивање недостижних дубина црних рупа. А такође верује да откривање хипотетичког гравитона у принципу можда није могуће. У овом случају, каже, квантна гравитација ће бити метафизичка, а не физичка.
Он није једини скептик. Познати енглески физичар Сир Рогер Пенросе и мађарски научник Лајос Диоси независно су претпоставили да простор-време не може подржати суперпозицију. Они верују да му глатка, чврста, у основи класична природа спречава да се истовремено сагне на два могућа путања - и управо та крутост доводи до урушавања суперпозиције квантних система попут електрона и фотона. "Гравитациона деконцентрација", по њиховом мишљењу, омогућава да се догоди јединствена, чврста, класична стварност, која се може осећати на макроскопском нивоу.
Проналажење „осмеха“квантне гравитације чини се да побија Дисонов аргумент. Такође убија теорију гравитационе декохеренције показујући да гравитација и простор-време подржавају квантне суперпозиције.
Предлоги Босеа и Марлетта појавили су се истовремено и потпуно случајно, иако стручњаци примећују да одражавају дух времена. Експерименталне лабораторије за квантну физику широм света стављају све веће микроскопске објекте у квантне супозиције и оптимизују тестне протоколе за везивање два квантна система. Предложени експеримент би требао комбиновати ове поступке, док би захтевао даља побољшања размера и осетљивости; можда ће проћи десет година. "Али нема физичке мртве тачке", каже Пиковски, који такође истражује како лабораторијски експерименти могу испитивати гравитационе појаве. "Мислим да је тешко, али није немогуће."
Овај план је детаљније описан у раду једанаест стручњака за различите фазе предлога Босе и других. На пример, у својој лабораторији на Универзитету Ворвик, коаутор Гавин Морлеи ради на првом кораку, покушавајући да постави микро дијамант у квантну суперпозицију на два места. Да би то учинио, он ће у микро-дијамант затворити атом азота, поред празног места у дијамантској структури (тзв. НВ центар, или место које има душик у дијаманту) и напунити их микроталасним импулсом. Електрони који се окрећу око НВ центра истовремено апсорбују светлост и не раде, а систем прелази у квантну суперпозицију два правца спина - горе-доле - као врх који се ротира у смеру казаљке на сату са одређеном вероватноћом и у супротном смеру казаљке на сату са одређеном вероватноћом. Микро-дијамант набијен овом суперпозицијском спиновом је изложен магнетном пољу,због чега се горњи спин окреће улево, а доњи се окреће десно. Сам дијамант је подељен у суперпозицију две путање.
У пуном експерименту, научници све то морају да раде са два дијаманта - црвеним и плавим, рецимо - који се налазе један поред другог у ултрахладном вакууму. Када се замка која их држи угаси, два микро-дијаманта, сваки у суперпозицији две позиције, вертикално ће пасти у вакуум. Док дијаманти опадају, осетит ће тежину сваког од њих. Колико ће јак њихов гравитациони потез бити?
Ако је гравитација квантна интеракција, одговор је: у зависности од тога. Свака компонента суперпозиције плавог дијаманта искусиће јачу или слабију привлачност црвеног дијаманта, зависно од тога да ли се налази у грани суперпозиције која је ближа или даље. А гравитација коју ће осећати свака компонента суперпозиције црвеног дијаманта на сличан начин зависи од стања плавог дијаманта.
У сваком случају различити степени гравитационе привлачности утичу на еволуирајуће компоненте дијамантских суперпозиција. Два дијаманта постају међусобно зависна јер се њихова стања могу одредити само у комбинацији - ако то значи да ће - на крају, правци спинова два система НВ центара бити корелирани.
Након што микро дијаманти три секунде падну један поред другог - довољно да се заплете у гравитацију - они пролазе кроз друго магнетно поље, које ће поново поравнати гране сваке суперпозиције. Завршни корак у експерименту је протокол свједока упетљања који је развила данска физичарка Барбара Терал и други: плави и црвени дијаманти улазе у различите уређаје који мјере смјерове вртње НВ централних система. (Мерење доводи до урушавања суперпозиција у одређена стања). Затим се упоређују два резултата. Изводећи експеримент изнова и изнова и упоређујући више парова мерења центрифуге, научници могу утврдити да ли су вртње два квантна система у ствари међусобно корелирани чешће него што су дефинисали горњу границу за објекте који нису квантно механички уплетени. Ако је тако,гравитација запетља дијаманте и може одржати суперпозицију.
„Оно што је занимљиво у овом експерименту је да не морате знати шта је квантна теорија“, каже Бленков. "Све што је потребно је да се тврди да у овом подручју постоји неки квантни аспект који је посредован силом између две честице."
Има пуно техничких потешкоћа. Највећи објекат који се пре два пута налазио је молекул од 800 атома. Сваки микро-дијамант садржи преко 100 милијарди атома угљеника - довољно за стварање опипљиве гравитационе силе. За отпакивање његове квантне механичке природе биће потребне ниске температуре, дубок вакуум и прецизна контрола. „Пуно је посла укључено у постављању иницијалне суперпозиције и покретања“, каже Петер Баркер, члан експерименталног тима који побољшава технике ласерског хлађења и микро-дијаманта. Ако се то може обавити једним дијамантом, додаје Босе, "други неће бити проблем."
Шта гравитацију чини јединственом?
Истраживачи квантне гравитације немају никакве сумње да је гравитација квантна интеракција која може проузроковати заплет. Наравно, гравитација је помало јединствена и још се мора пуно научити о поријеклу простора и времена, али квантна механика свакако треба бити укључена, кажу научници. "Па, заиста, шта је смисао у теорији у којој је већи део физике квантитет, а гравитација је класична", каже Даниел Харлов, истраживач квантне гравитације на МИТ-у. Теоријски аргументи против мешовитих квантно-класичних модела су врло снажни (иако нису коначни).
Са друге стране, теоретичари су раније грешили. „Ако можете да проверите, зашто не? Ако ћути ове људе који доводе у питање квантитет гравитације, било би сјајно ", рекао је Харлов.
Након читања радова, Дисон је написао: "Предложени експеримент је несумњиво од великог интереса и захтева извођење у условима стварног квантног система." Међутим, он примећује да је смисао размишљања аутора о квантним пољима различита од његовог. „Није ми јасно да ли ће овај експеримент успети да реши питање постојања квантне гравитације. Питање које сам поставио - да ли посматрамо засебан гравитон - друго је питање и можда има другачији одговор."
Линија размишљања Босеа, Марлетта и њихових колега о квантизираној гравитацији произилази из Бронстеиновог рада већ 1935. године. (Дисон је Бронстеиново дело назвао „прелепо дело“које раније није видео). Конкретно, Бронстеин је показао да се слаба гравитација генерисана ниском масом може апроксимирати Невтоновим законом гравитације. (Ово је сила која делује између суперпозиција микро дијаманата). Према Бленцое-ју, прорачуни слабе квантизоване гравитације нису нарочито изведени, мада су сигурно релевантнији од физике црних рупа или Великог праска. Нада се да ће нови експериментални предлог подстаћи теоретичаре да потраже суптилна усавршавања Невтонове апроксимације, што би будући експерименти на столним плочама могли покушати да испробају.
Леонард Сусскинд, познати теоретичар квантне гравитације и струна на Универзитету Станфорд, видео је вредност предложеног експеримента јер "омогућава посматрање гравитације у новом распону маса и растојања". Али он и други истраживачи наглашавали су да микродијаманти не могу открити ништа о комплетној теорији квантне гравитације или свемирског времена. Он и његове колеге желели би да разумеју шта се дешава у центру црне рупе и у време Великог праска.
Можда је један од трагова зашто је гравитацију толико теже квантификовати него било шта друго, то што друге природне силе имају такозвану „локалитет“: квантне честице у једном региону поља (на пример, фотони у електромагнетном пољу) су „независне од других физичких ентитета у другом простору свемира ", каже Марк ван Раамсдонк, теоретичар квантне гравитације на Универзитету у Британској Колумбији. "Али постоји пуно теоријских доказа да гравитација не функционира на тај начин."
У најбољим моделима квантне гравитације песка (са поједностављеним просторно-временским геометријама), немогуће је претпоставити да је трака простор-време тканина подељена на независне тродимензионалне комаде, каже ван Раамсдонк. Уместо тога, модерна теорија сугерише да су темељни, фундаментални састојци простора „прилично дводимензионално организовани“. Тканина простора-времена може бити попут холограма или видео игре. "Иако је слика тродимензионална, информације се чувају на дводимензионалном рачунарском чипу." У овом случају, тродимензионални свет биће илузија у смислу да његови различити делови нису тако независни. Слично као у видео играма, неколико бита на дводимензионалном чипу може кодирати глобалне функције целог универзума игара.
А та разлика је битна када покушавате да створите квантну теорију гравитације. Уобичајени приступ квантитативности нечега је дефинисање његових независних делова - на пример, честица - и затим на њих применити квантну механику. Али ако не идентификујете исправне састојке, на крају ћете добити погрешне једначине. Директна квантизација тродимензионалног простора коју је Бронстеин желио да уради донекле дјелује са слабом гравитацијом, али испада да је бескорисна када је просторно време снажно закривљено.
Неки стручњаци кажу да сведочење „осмеха“квантне гравитације може мотивисати овакво апстрактно резоновање. Уосталом, ни најгласнији теоријски аргументи о постојању квантне гравитације нису поткријепљени експерименталним доказима. Када ван Раамсдонк објашњава своја истраживања у колоквијуму научника, он каже да то обично почиње тако што ће рећи како гравитацију треба преиспитати квантном механиком јер се класични опис свемирског времена разбија на црне рупе и Велики прасак.
„Али ако урадите овај једноставан експеримент и покажете да је гравитационо поље било у суперпозицији, неуспех класичног описа постаје очигледан. Јер ће се догодити експеримент који имплицира да је гравитација квантна."
На основу материјала из часописа Куанта
Илиа Кхел