През 1935 г., когато квантовата механика и общата теория на относителността на Айнщайн са били много млади, не толкова известният съветски физик Матвей Бронщайн, на 28-годишна възраст, направи първото подробно проучване на съгласуването на тези две теории в квантовата теория на гравитацията. Това, „може би теорията на целия свят“, както пише Бронщайн, би могло да измести класическото описание на гравитацията на Айнщайн, в което то се разглежда като криви в континуума от време и време и да го пренапише на квантов език, както и всички други физики.
Бронщайн измисли как да опише гравитацията по отношение на квантовани частици, които сега се наричат гравитони, но само когато силата на гравитацията е слаба - тоест (по принцип относителността), когато пространственото време е толкова слабо извито, че на практика е плоско. Когато гравитацията е силна, "ситуацията е напълно различна", пише ученият. "Без дълбока ревизия на класическите концепции изглежда почти невъзможно да се представи квантова теория за гравитацията в тази област."
Думите му бяха пророчески. Осемдесет и три години по-късно физиците все още се опитват да разберат как кривизмата в пространството се проявява в макроскопичен мащаб, произтичаща от по-фундаменталната и уж квантова картина на гравитацията; може би най-дълбокият въпрос във физиката. Може би, ако имаше възможност, светлата глава на Бронщайн щеше да ускори процеса на това търсене. В допълнение към квантовата гравитация той също допринася за астрофизиката и космологията, теорията на полупроводниците, квантовата електродинамика и пише няколко книги за деца. През 1938 г. той попада под сталински репресии и е екзекутиран на 31-годишна възраст.
Търсенето на пълна теория за квантовата гравитация се усложнява от факта, че квантовите свойства на гравитацията никога не се проявяват в реалния опит. Физиците не виждат как е нарушено описанието на Айнщайн за гладък континуум от време и време или неговото квантово приближение на Бронщайн в леко извито състояние.
Проблемът се състои в изключителната слабост на гравитационната сила. Докато квантованите частици, предаващи силни, слаби и електромагнитни сили, са толкова силни, че плътно свързват материята в атомите и могат да бъдат изследвани буквално под лупа, гравитоните поотделно са толкова слаби, че лабораториите нямат шанс да ги открият. За да хване гравитон с висока степен на вероятност, детекторът за частици трябва да е толкова голям и масивен, че да се срути в черна дупка. Тази слабост обяснява защо астрономическите натрупвания на маса са необходими, за да влияят върху други масивни тела чрез гравитацията и защо виждаме гравитационни ефекти в огромни мащаби.
Това не е всичко. Изглежда, че Вселената е обект на някаква космическа цензура: области със силна гравитация - където кривите пространство-време са толкова остри, че уравненията на Айнщайн се провалят и трябва да се разкрие квантовата природа на гравитацията и пространството-времето - винаги се крият зад хоризонтите на черните дупки.
„Още преди няколко години имаше общ консенсус, че най-вероятно е невъзможно да се измери количеството на гравитационното поле по някакъв начин“, казва Игор Пиковски, теоретичен физик от Харвардския университет.
Промоционално видео:
И ето няколко скорошни статии, публикувани в „Физически преглед писма“, които промениха ситуацията. Тези документи твърдят, че е възможно да се стигне до квантова гравитация - дори без да знаете нищо за това. Документите, написани от Sugato Bose от University College London и Chiara Marletto и Vlatko Vedral от университета в Оксфорд, предлагат технически сложен, но осъществим експеримент, който може да потвърди, че гравитацията е квантова сила, както всички останали, без да се изисква откриването на гравитон. Майлс Бленко, квантов физик от колежа в Дартмут, който не е участвал в работата, казва, че подобен експеримент би могъл да разкрие ясна следа от невидима квантова гравитация - „усмивката на Чеширската котка“.
Предложеният експеримент ще определи дали два обекта - групата на Бозе планира да използват чифт микродиаманти, да станат квантово-механично заплетени помежду си в процеса на взаимно гравитационно привличане. Заплитането е квантово явление, при което частиците стават неразделно преплетени, споделяйки едно единствено физическо описание, което определя техните възможни комбинирани състояния. (Съвместното съществуване на различни възможни състояния се нарича "суперпозиция" и определя квантова система). Например, двойка заплетени частици може да съществува в суперпозиция, в която частица А ще се върти отдолу нагоре с 50% вероятност, а В - отгоре надолу и обратно с 50% вероятност. Никой не знае предварително какъв резултат ще получите, когато измервате посоката на въртене на частици, но можете да сте сигурни в товаче ще имат същото.
Авторите твърдят, че два обекта в предложения експеримент могат да се заплетат по този начин само ако силата, действаща между тях - в случая гравитация - е квантово взаимодействие, опосредствано от гравитони, които могат да поддържат квантови суперпозиции. „Ако се проведе експеримент и се получи заплитане според документа, може да се заключи, че гравитацията се квантира“, обясни Бленков.
Заплетете диаманта
Квантовата гравитация е толкова фина, че някои учени поставят под въпрос нейното съществуване. Известният математик и физик Фрийман Дайсън, 94, твърди от 2001 г., че Вселената може да поддържа своеобразно „дуалистично“описание, при което „гравитационното поле, описано от общата теория на относителността на Айнщайн, ще бъде чисто класическо поле без никакво квантово поведение“. и цялата материя в този плавен пространствено-времеви континуум ще бъде квантована от частици, които се подчиняват на правилата на вероятността.
Дайсън, който помогна за разработването на квантова електродинамика (теорията за взаимодействията между материя и светлина) и е професор emeritus в Института за усъвършенствани изследвания в Принстън, Ню Джърси, не вярва, че квантовата гравитация е необходима, за да се опишат недостижимите дълбочини на черните дупки. Освен това той вярва, че откриването на хипотетичен гравитон по принцип може да е невъзможно. В този случай, според него, квантовата гравитация ще бъде метафизична, а не физическа.
Той не е единственият скептик. Известният английски физик сър Роджър Пенроуз и унгарският учен Лайос Диоси независимо предположиха, че пространството и времето не могат да подкрепят суперпозицията. Те смятат, че неговата гладка, твърда, в основата си класическа природа не позволява да се огъва в два възможни пътя едновременно - и именно тази твърдост води до срив на суперпозиции на квантови системи като електрони и фотони. Според тях „гравитационната декохерентност“позволява да се случи единна, твърда, класическа реалност, която може да се усети в макроскопичен мащаб.
Намирането на „усмивка“на квантовата гравитация изглежда би опровергало аргумента на Дайсън. Той също така убива теорията за гравитационната декохерентност, като показва, че гравитацията и космическото време поддържат квантовите суперпозиции.
Предложенията на Бозе и Марлето се появиха едновременно и напълно случайно, въпреки че експертите отбелязват, че отразяват духа на времето. Експерименталните лаборатории по квантова физика по света поставят все по-големи микроскопични обекти в квантови суперпозиции и оптимизират протоколи за изпитване за заплитане на две квантови системи. Предложеният експеримент би трябвало да комбинира тези процедури, като същевременно изисква допълнителни подобрения в мащаба и чувствителността; може да отнеме десет години. "Но няма физическа задънена улица", казва Пиковски, който също проучва как лабораторните експерименти могат да изследват гравитационните явления. "Мисля, че е трудно, но не и невъзможно."
Този план е описан по-подробно в работата на единадесетте експерти на Bose et al. Ocean за различни фази на предложението. Например в своята лаборатория в Университета на Уоруик съавторът Гавин Морли работи върху първата стъпка, опитвайки се да постави микродиамант в квантова суперпозиция на две места. За да направи това, той ще затвори азотен атом в микро-диамант, до свободна позиция в диамантената структура (т. Нар. NV център или азотно-заместена ваканция в диамант) и ще го зарежда с микровълнов импулс. Електрон, въртящ се около центъра на NV едновременно поглъща светлина и не, и системата преминава в квантова суперпозиция от две посоки на въртене - нагоре и надолу - като върха, който се върти по посока на часовниковата стрелка с определена вероятност и обратно на часовниковата стрелка с определена вероятност. Микро-диамант, натоварен с този спин на суперпозиция, е изложен на магнитно поле,което прави горното въртене да се движи наляво, а долното завъртане вдясно. Самият диамант е разделен на суперпозиция от две траектории.
В пълен експеримент учените трябва да направят всичко това с два диаманта - червен и син, да речем - разположени една до друга във ултра студ вакуум. Когато капакът, който ги държи, се изключи, два микро-диаманта, всеки в суперпозиция от две позиции, ще паднат вертикално във вакуум. Докато диамантите падат, те ще усетят гравитацията на всеки от тях. Колко силно ще бъде тяхното гравитационно дърпане?
Ако гравитацията е квантово взаимодействие, отговорът е: в зависимост от какво. Всеки компонент от суперпозицията на син диамант ще изпитва по-силно или по-слабо привличане към червения диамант, в зависимост от това дали последният е в клона на суперпозицията, който е по-близо или по-далече. А гравитацията, която всеки компонент от суперпозицията на червен диамант ще почувства, е подобно зависима от състоянието на синия диамант.
Във всеки случай различни степени на гравитационно привличане влияят на развиващите се компоненти на диамантените суперпозиции. Два диаманта стават взаимозависими, защото състоянията им могат да се определят само в комбинация - ако това означава, че - следователно в крайна сметка посоките на завъртанията на двете системи на NV центровете ще корелират.
След като микродиамантите падат един до друг за три секунди - достатъчно, за да се заплитат в гравитацията - те преминават през друго магнитно поле, което отново ще подравнява клоните на всяка суперпозиция. Последната стъпка в експеримента е протоколът на свидетел на заплитането, разработен от датския физик Барбара Терал и други: сините и червените диаманти влизат в различни устройства, които измерват направленията на въртене на NV централните системи. (Измерването води до срив на суперпозиции в определени състояния). Тогава двата резултата се сравняват. Чрез провеждането на експеримента отново и отново и сравнявайки множество двойки спинови измервания, учените могат да определят дали завъртанията на две квантови системи всъщност са корелирани по-често, отколкото да определят горна граница за обекти, които не са квантово механично заплетени. Ако е така,гравитацията оплита диамантите и може да поддържа суперпозиция.
„Интересното при този експеримент е, че не е нужно да знаете какво е квантовата теория“, казва Бленков. "Всичко, което е необходимо, е да се твърди, че в тази област има някакъв квантов аспект, който се опосредства от силата между двете частици."
Има много технически затруднения. Най-големият обект, който преди е бил наслагван на две места, е молекула с 800 атома. Всеки микро-диамант съдържа над 100 милиарда въглеродни атома - достатъчно, за да изгради осезаема гравитационна сила. Разпаковането на неговата квантова механична природа ще изисква ниски температури, дълбок вакуум и прецизен контрол. „Има много работа, свързана с настройката на първоначалната суперпозиция и задействане“, казва Питър Баркър, член на експериментален екип, който подобрява техниките за лазерно охлаждане и улавяне на микро-диаманти. Ако може да се направи с един диамант, добавя Бозе, "вторият няма да е проблем."
Какво прави гравитацията уникална?
Изследователите на квантовата гравитация не се съмняват, че гравитацията е квантово взаимодействие, което може да причини заплитане. Разбира се, гравитацията е донякъде уникална и има още много да се научи за произхода на пространството и времето, но определено трябва да се включи квантовата механика, казват учените. "Е, наистина, какъв е смисълът в теорията, в която голяма част от физиката е квантова, а гравитацията е класическа", казва Даниел Харлоу, изследовател на квантовата гравитация в MIT. Теоретичните аргументи срещу смесените квантово-класически модели са много силни (макар и не са категорични).
От друга страна, теоретиците са грешили и преди. „Ако можете да проверите, защо не? Ако заглуши тези хора, които поставят под въпрос квантовата гравитация, ще бъде чудесно “, каза Харлоу.
След като прочете докладите, Дайсън пише: „Предлаганият експеримент несъмнено представлява голям интерес и изисква провеждането му в условията на истинска квантова система“. Той обаче отбелязва, че посоката на мисълта на авторите за квантовите полета е различна от неговата. „Не ми е ясно дали този експеримент ще успее да реши въпроса за съществуването на квантовата гравитация. Въпросът, който зададох - дали наблюдаваме отделен гравитон - е друг въпрос и може да има различен отговор."
Линията на мисълта на Бозе, Марлетто и техните колеги за квантовата гравитация произтича от работата на Бронщайн още през 1935г. (Дайсън нарече работата на Бронщайн „красива работа“, която не беше виждал преди). По-конкретно, Бронщайн показа, че слабата гравитация, генерирана от малка маса, може да се сближи с закона на гравитацията на Нютон. (Това е силата, която действа между суперпозиции на микродиаманти). Според Бленко изчисленията на слабата квантована гравитация не са извършени особено, въпреки че със сигурност са по-уместни от физиката на черните дупки или Големия взрив. Той се надява, че новото експериментално предложение ще насърчи теоретиците да търсят фини усъвършенствания към Нютоновото приближение, които бъдещите експерименти на настолни компютри могат да се опитат да изпробват.
Леонард Сускинд, известен квантов гравитационен и струнен теоретик в Станфордския университет, видя стойността на предложения експеримент, защото „той осигурява наблюдения на гравитацията в нов диапазон от маси и разстояния“. Но той и други изследователи подчертават, че микродиамантите не могат да разкрият нищо за цялостна теория на квантовата гравитация или космическото време. Той и неговите колеги биха искали да разберат какво се случва в центъра на черна дупка и по времето на Големия взрив.
Може би една от уликите защо гравитацията е толкова по-трудна за количествено определяне от всичко друго, е че другите сили на природата имат така наречената „локалност“: квантовите частици в един регион на полето (фотоните в електромагнитното поле, например) са „независими от други физически субекти в друга космическа област”, казва Марк ван Раамсдонк, теоретик на квантовата гравитация в Университета на Британска Колумбия. "Но има много теоретични доказателства, че гравитацията не работи по този начин."
В най-добрите пясъчни модели на квантова гравитация (с опростена геометрия на пространството и времето) е невъзможно да се предположи, че лентата от космическо време и време е разделена на независими триизмерни парчета, казва ван Раамсдонк. Вместо това съвременната теория предполага, че основните, фундаментални съставки на пространството са "по-скоро двумерни организирани". Материята на пространството-времето може да бъде като холограма или видео игра. „Въпреки че картината е триизмерна, информацията се съхранява на двуизмерен компютърен чип.“В този случай триизмерният свят ще бъде илюзия в смисъл, че различните му части не са толкова независими. Подобно на видео игра, няколко бита на двуизмерен чип могат да кодират глобалните функции на цялата вселена на играта.
И тази разлика има значение, когато се опитвате да създадете квантова теория на гравитацията. Обичайният подход за количествено определяне на нещо е да се определят неговите независими части - частици, например - и след това да се приложи квантова механика към тях. Но ако не идентифицирате правилните съставки, в крайна сметка ще получите грешни уравнения. Директното квантоване на триизмерното пространство, което Бронщайн искаше да направи, работи до известна степен със слаба гравитация, но се оказва безполезно, когато пространственото време е силно извито.
Някои експерти казват, че свидетел на „усмивката“на квантовата гравитация може да мотивира този вид абстрактни разсъждения. В крайна сметка, дори и най-силните теоретични аргументи за съществуването на квантовата гравитация не се подкрепят от експериментални доказателства. Когато van Raamsdonk обяснява изследванията си в колоквиум от учени, той казва, че обикновено започва с разясняване как гравитацията трябва да бъде преосмислена с квантовата механика, тъй като класическото описание на космическото време се разпада на черни дупки и Големия взрив.
„Но ако направите този прост експеримент и покажете, че гравитационното поле е в суперпозиция, провалът на класическото описание става очевиден. Защото ще има експеримент, който предполага, че гравитацията е квантова."
Въз основа на материали от списание Quanta
Иля Кел