Ние имаме всички основания да смятаме, че гравитацията по своята същност е квантова теория. Но как можем да докажем това веднъж завинаги? Д-р Сабина Носсенфелдер, теоретичен физик, експерт по квантова гравитация и физика на висока енергия, говори за това. По-нататък от първо лице.
Ако имате добро зрение, най-малките предмети, които можете да видите, ще са около една десета от милиметъра: около ширината на човешката коса. Добавете технологията и най-малката структура, която успяхме да измерим досега, беше около 10-19 метра, което е дължината на вълната на протоните, сблъскващи се при LHC. Отне ни 400 години, за да преминем от най-примитивния микроскоп до изграждането на LHC - подобрение от 15 порядъка за четири века.
Счита се, че квантовите ефекти на гравитацията стават уместни при разстояния от около 10-35 метра, известни като дължина на Планк. Това е още 16 порядъка на път или друг коефициент 1016 по отношение на енергията на сблъсък. Това ви кара да се чудите дали това изобщо е възможно или дали всички усилия в опитите да се намери квантова теория за гравитацията завинаги ще останат бездействаща фантастика.
Аз съм оптимист. Историята на науката е пълна с хора, които смятат, че много е невъзможно, но в действителност се оказа обратното: измерване на отклонението на светлината в гравитационното поле на слънцето, машини, по-тежки от въздуха, откриване на гравитационни вълни. Следователно не считам за невъзможно експериментално да се тества квантовата гравитация. Може да отнеме десетки или стотици години - но ако продължим да се движим, един ден може би ще успеем да измерим ефектите от квантовата гравитация. Не непременно чрез директно достигане на следващите 16 порядъка, а по-скоро чрез индиректно откриване при по-ниски енергии.
Но от нищо не се ражда нищо. Ако не мислим как може да се проявят ефектите на квантовата гравитация и къде могат да се появят, определено никога няма да ги намерим. Моят оптимизъм се подхранва от нарастващия интерес към феноменологията на квантовата гравитация, изследователска област, посветена на проучването на това как най-добре да се търсят прояви на ефектите от квантовата гравитация.
Тъй като не е измислена никоя последователна теория за квантовата гравитация, сегашните усилия за намиране на наблюдавани явления са насочени към намиране на начини за тестване на общите характеристики на теорията, като се търсят свойства, които са открити в някои различни подходи към квантовата гравитация. Например, квантовите колебания в пространството и времето или наличието на "минимална дължина", която ще бележи основната граница на разделителната способност. Такива ефекти могат да се определят с помощта на математически модели и тогава силата на тези възможни ефекти може да бъде оценена и да се разбере кои експерименти могат да дадат най-добри резултати.
Изпитването на квантовата гравитация отдавна се разглежда извън обхвата на експериментите, съдейки по оценките, ни е необходим коллайд с размера на Млечния път, за да ускорим протоните, достатъчно да произведем измеримо количество гравитони (кванти на гравитационното поле), или се нуждаем от детектор с размерите на Юпитер, за да измерим гравитоните които се раждат навсякъде. Не е невъзможно, но със сигурност не е нещо, което трябва да се очаква в близко бъдеще.
Промоционално видео:
Подобни аргументи обаче се отнасят само до директното откриване на гравитони и това не е единственото проявление на ефектите на квантовата гравитация. Има много други наблюдателни последици, които може да предизвика квантовата гравитация, някои от които вече сме търсили и някои от които планираме да търсим. Засега резултатите ни са чисто отрицателни. Но дори и отрицателните са ценни, защото ни казват какви свойства теорията, от която се нуждаем, може да няма.
Една изпитателна последица от квантовата гравитация, например, може да бъде нарушаване на симетрията, фундаментална за специалната и обща относителност, известна като инвариантност на Лоренц. Интересното е, че нарушенията на Лоренцовата инвариантност не са непременно малки, дори ако са създадени на разстояния, които са твърде малки, за да бъдат наблюдавани. Разрушаването на симетрията, от друга страна, ще проникне чрез реакциите на много частици с налични енергии с невероятна точност. Все още не са открити доказателства за нарушения на инвариантността на Лоренц. Може да изглежда рядко, но знаейки, че тази симетрия трябва да се спазва с най-висока степен на точност в квантовата гравитация, можете да използвате това при разработването на теория.
Други тестируеми последствия могат да бъдат в слабото поле на квантовата гравитация. В ранната Вселена квантовите колебания в пространството и времето трябваше да доведат до температурни колебания, възникващи в материята. Тези температурни колебания се наблюдават днес, като се отпечатват във фоновото излъчване (CMB). Отпечатъкът на "първични гравитационни вълни" на космическия микровълнов фон все още не е измерен (LIGO не е достатъчно чувствителен за него), но се очаква да бъде в рамките на един до два порядъка на величината на текущата точност на измерване. Много експериментални сътрудничества работят в търсене на този сигнал, включително BICEP, POLARBEAR и обсерваторията Планк.
Друг начин за тестване на границата на слабото поле на квантовата гравитация е да се опита да въведе големи обекти в квантова суперпозиция: обекти, които са много по-тежки от елементарните частици. Това ще направи гравитационното поле по-силно и потенциално ще изпита неговото квантово поведение. Най-тежките обекти, които досега успяхме да завържем в суперпозиция, тежат около нанограма, което е с няколко порядъка по-малко, отколкото е необходимо за измерване на гравитационното поле. Но наскоро група учени във Виена предложиха експериментална схема, която би ни позволила да измерим гравитационното поле много по-точно от преди. Бавно се приближаваме до границите на квантовата гравитация.
(Имайте предвид, че този термин е различен в астрофизиката, където понякога "силната гравитация" се използва за обозначаване на нещо друго, като големи отклонения от гравитацията на Нютон, които могат да бъдат намерени в близост до хоризонтите на събитията в черната дупка.)
Силните ефекти на квантовата гравитация могат също да оставят отпечатък (различен от слабите полеви ефекти) в CMB (реликтово излъчване), по-специално във вида на корелациите, които могат да се намерят между колебанията. Има различни модели на стринг космологията и космологията на квантовия цикъл, които изучават наблюдаваните последици, и предложени експерименти като EUCLID, PRISM и след това WFIRST могат да намерят първите улики.
Има и друга интересна идея, основана на скорошна теоретична констатация, според която гравитационният срив на материята невинаги може да образува черна дупка - цялата система ще избегне образуването на хоризонта. Ако е така, останалият обект ще ни даде оглед на региона с квантови гравитационни ефекти. Не е ясно обаче какви сигнали трябва да търсим, за да намерим такъв обект, но това е обещаваща посока на търсене.
Има много идеи. Голям клас модели се занимават с възможността квантовите гравитационни ефекти дават пространствено време със свойствата на среда. Това може да доведе до дисперсия на светлината, двулъчепречистване, декохерентност или непрозрачност на пространството. Не можете да разкажете за всичко наведнъж. Но, без съмнение, предстои още много работа. Търсенето на доказателства, че гравитацията наистина е квантова сила, вече започна.
ИЛЯ КХЕЛ