Fysikere har fundet en måde at se "smile" af kvantegravitation

I 1935, hvor kvantemekanik og Almen relativitetsteori var meget ung, ikke meget velkendte Sovjetiske fysiker Matvei Bronstein, på 28 år, lavet den første detaljerede undersøgelse om harmonisering af disse to teorier i en kvanteteori for gravitation. Dette, «måske teorien om hele verden», som han skrev Bronstein, kunne fortrænge einsteinova klassiske beskrivelse af tyngdekraften, hvor det ses som kurver i rum-tid kontinuum, og at omskrive den i quantum sprog som resten af fysik.

Bronstein regnet ud, hvordan at beskrive tyngdekraften i form af quantum partikler, nu kaldet gravitons, men kun når tyngdekraften er svag, — det er (i den Generelle relativitetsteori), da rum-tid var så lidt bøjet, at det vil være næsten hjemme. Når tyngdekraften er så stærk, «situationen er helt anderledes», skrev forsker. «Uden en gennemgribende revision af klassiske begreber, synes det næsten umuligt at forestille sig en kvanteteori for gravitation i dette område».

Hans ord var profetisk. Firs-tre år senere, fysikere forsøger stadig at forstå, hvordan rum-tids krumning manifesterer sig i den makroskopiske skala, som følge af mere grundlæggende og formentlig quantum billede af tyngdekraften; dette er måske det mest grundlæggende spørgsmål i fysik. Måske hvis du havde chancen, lyse sind Bronstein ville fremskynde processen for denne søgning. I tillæg til kvantegravitation, han har også ydet bidrag til astrofysik og kosmologi, teori om halvledere, kvante elektrodynamik og har skrevet flere bøger for børn. I 1938, han fik under Stalins undertrykkelse, og blev henrettet i en alder af 31 år.

Finde den fulde teori om kvantegravitation er kompliceret af det faktum, at kvantemekaniske egenskaber af tyngdekraften aldrig vises i den faktiske oplevelse. Fysik ikke se, hvordan brudt einsteinova beskrivelse af det glatte rum-tid kontinuum, eller quantum postanova nærmer sig det i en let buet tilstand.

Problemet er ekstrem svaghed af den gravitationelle kraft. Mens den kvantiserede partikler, der sender de stærke, svage og elektromagnetiske kræfter, stærk nok til at binde stramt stof i atomer og kan læses bogstaveligt talt under et forstørrelsesglas, gravitons individuelt, så svag, at laboratorier, der er ingen chance for at opdage dem. At fange en graviton med høj sandsynlighed, detektor af partiklerne skal være så store og massive, at det kollapser til et sort hul. Denne svaghed forklarer, hvorfor behovet for et astronomisk besparelser af masserne til at øve indflydelse på andre massive krop ved hjælp af tyngdekraften, og det er derfor, vi ser gravitationelle virkninger på stor skala.

Det er ikke alt. Universet er tilsyneladende udsat for en form for kosmisk censur: region med en stærk tyngdekraft, hvor rum-tid kurver så skarp, at Einstein ' s ligninger mislykkes, og skulle afsløre quantum karakter af tyngdekraften og rum-tid — altid skjule sig bag den horisont af sorte huller.

"Selv for et par år siden, var der en Generel konsensus om, at det mest sandsynlige er, at måle den kvantisering af det gravitationelle felt på nogen måde er umuligt," siger Igor Pikovsky, en teoretisk fysiker fra Harvard University.

Og her er et par for nylig publiceret i Physical Review Letters artikler har ændret situationen. I disse værker lavet en erklæring om, at for at nå quantum gravity kunne være muligt — endda uden at vide noget om det. Det arbejde, som er skrevet af Sugata Bose fra University College London og Kiara af Marletto og Vlatko Verulam fra University of Oxford, og tilbyder teknisk udfordrende, men doable eksperiment, der ville bekræfte, at tyngdekraften er en quantum force, ligesom alle de andre, uden at det kræver påvisning af graviton. Miles Blanco, kvantefysiker fra Dartmouth College, ikke deltage i dette arbejde, sagde, at sådan et eksperiment kunne registrere et klart spor af usynlige quantum gravity — den "Cheshire Cat smil".

Den Foreslåede eksperiment, der vil afgøre, om to objekter — gruppe, Bosa er planlægning at bruge et par microdiamonds blive kvante-mekanisk viklet ind i hinanden i den gensidige tyngdepåvirkning. Indvikling — en kvante fænomen, hvor partikler uadskillelig forbundet, der deler en enkelt fysisk beskrivelse, som definerer deres mulige kombinerede stat. (Sameksistens af forskellige mulige tilstande kaldes "superposition", og definerer quantum system). For eksempel, et par sammenfiltrede partikler kan eksistere i en superposition, hvor En partikel vil med 50% sandsynlighed for at rotere (spin) op fra bunden, B — ned, og med 50% sandsynlighed Vice versa. Ingen ved på forhånd, hvad resultat får du ved måling af spin retning af partikler, men du kan være sikker på, at de vil have det samme.

Forfatterne hævder, at to objekter i den foreslåede eksperiment kan blive forvirret, så bare i tilfælde, hvis den kraft, der virker mellem dem — i dette tilfælde tyngdekraften er en quantum interaktion, medieret af gravitons, som kan støtte quantum superpositions. "Hvis et eksperiment vil blive modtaget forvirring, efter arbejde, kan vi konkludere, at tyngdekraften er kvantiseret," sagde Blanco.

Forvirre diamant

Kvante tyngdekraft er så diskret, at nogle videnskabsmænd har stillet spørgsmålstegn ved hendeseksistens. Den berømte matematiker og fysiker Freeman Dyson, der er 94 år gammel i 2001, hævder, at universet kan støtte en form for "dobbelt" beskrivelse, hvor det gravitationelle felt, der er beskrevet af den Generelle relativitetsteori er en rent klassisk felt, uden at nogen quantum adfærd", med alle stof i det glatte rum-tid kontinuum til kvantiserede partikler, der adlyder de regler, der af sandsynlighed.

Dyson, der hjalp med at udvikle kvante elektrodynamik (teorien om samspillet mellem stof og lys) og er adjungeret Professor ved Institute for advanced study i Princeton, new Jersey, mener, at quantum gravity er nødvendige for at beskrive den uopnåelige dybet af sorte huller. Og han mener også, at påvisning af den hypotetiske graviton kan være umuligt i princippet. I dette tilfælde, siger han, quantum gravity er en metafysisk og ikke fysiske.

Han er ikke den eneste skeptiker. Den berømte engelske fysiker sir Roger Penrose og en ungarske forsker Lajos af Diosi uafhængigt antages, at rum-tiden ikke kunne støtte superposition. De mener, at det er glat, solid, grundlæggende klassisk karakter forhindrer bøjningen af to mulige måder på samme tid — og denne stivhed fører til sammenbrud af superpositions kvantemekaniske systemer, som elektroner og fotoner. "Gravitationel dekohærens", efter deres mening, giver mulighed for at ske, er en solid, klassisk virkelighed, der kan mærkes i den makroskopiske skala.

Evnen til at finde "smilet" af kvantegravitation, det ville virke, afviser argumentet om, Dyson. Hun dræber også teorien om tyngdekraften dekohærens, viser at tyngde-og rum-tid virkelig støtte superposition.

Har Bose og Marletta dukkede op samtidig, og helt tilfældigt, selv om eksperter siger, at de afspejler ånden i den tid. Experimental quantum physics laboratory rundt omkring i verden er at sætte stadig større mikroskopiske objekt i kvante superposition og optimere test af protokoller indvikling af to quantum systems. Det foreslåede eksperiment ville være nødvendigt at kombinere disse procedurer, men der er behov for yderligere at forbedre omfanget og følsomhed; måske vil det tage ti år. «Men den fysiske død ende er der», siger Pikovsky, der også ser nærmere på, hvordan eksperimenter kan undersøge den gravitationelle fænomener. «jeg Tror, det er svært, men ikke umuligt».

Denne plan er beskrevet mere detaljeret i det arbejde, Bose og co. — ocean ' s eleven eksperter for forskellige stadier af forslaget. For eksempel, i sit laboratorium på University of Warwick en af de forfattere, Gavin Morley arbejder på det første trin, forsøger at sætte microalgas i kvante superposition to steder. Til dette vil han gøre et atom af kvælstof i mikroalger i nærheden af den ledige stilling i strukturen af diamant (såkaldte NV-center, eller et nitrogen-substituerede ledige stillinger på diamant), og oplade det mikrobølgeovn puls. Elektron, roterende rundt om i NV-center, og samtidig absorberer lyset, og der, og systemet går over til en kvante superposition af to spin retninger — op og ned — ligesom spinning top, som med en vis sandsynlighed kan roterer med uret og med et sind. Microalgas lastet med denne spin superposition er udsat for et magnetisk felt, som forårsager en top spin flytte til venstre og nederst til højre. Diamant i sig selv er opdelt i en superposition af to forløb.

I fuld eksperiment, forskerne skal gøre alt dette med to diamanter — rød og blå, for eksempel — som ligger i nærheden af Verhalten vakuum. Når fælden holde dem ud, to mikroalger, hver i en superposition af to positioner, vil falde lodret i et vakuum. Så falder alle de diamanter, der vil føle alvoren af hver af dem. Hvor stærk er deres gravitationelle tiltrækning?

Hvis tyngdekraften er en quantum interaktion, svaret er: afhængigt af hvad. Hver komponent af superposition af en blå diamant vil opleve en stærkere eller svagere tiltrækning til red diamond, afhængigt af om den sidste gren af superposition, som er tættere på eller længere. Og tyngdekraften, der vil føle sig hver komponent af superposition af red diamond, på samme måde afhænger af blue diamond.

I hvert enkelt tilfælde, forskellige grader af gravitationel tiltrækning påvirke udviklingen komponenter til sammensætningen af diamanter. De to diamanter bliver afhængige, fordi deres status, kan kun afgøres i kombination — hvis denne, så er der — så i sidste ende, retning af spin af de to systemer NV-centre vil være korreleret.

Efter MicroBlaze vil falde ved siden af hinanden for tre sekunder, dette er nok til at få tabt i gravitation, vil de passere gennem et andet magnetfelt, som igen vil kombinere de forskellige grene af hver superposition. Det sidste trin i eksperimentet Protokol «indviklet viden» (entanglement vidne), som er udviklet af den danske fysiker Barbara Teral og andre: blå og røde diamanter findes i de forskellige enheder, der måler retningen af spin-systemer af NV-centre. (Måling fører til sammenbrud af superpositions i visse Lande). Så de to resultater sammenlignes. Udførelse af forsøget igen og igen og sammenligne mange par af spin målinger, som forskerne kan afgøre, om eller ikke spin af to quantum systems korrelerethinanden, mere end ofte angiver den øvre grænse for objekter, der er ikke kvante-mekanisk viklet ind. Hvis det er tilfældet, tyngdekraften virkelig forvirrer diamanter og kan støtte superposition.

"det der er interessant i dette eksperiment, er det faktum, at du ikke har brug for at vide, hvad quantum teori," siger Blanco. "Alt, hvad der er nødvendigt, er at hævde, at der er nogle quantum aspekt i dette område, som er medieret kraft mellem to partikler".

Tekniske vanskeligheder — vægt. Det største objekt, der er placeret i superposition i to steder, der før var en 800-atomic-molekylet. Hver Michaelmas indeholder over 100 milliarder atomer af kulstof — nok til at akkumulere mærkbar tyngdekraften. Udpakning kvantemekaniske natur kræver lave temperaturer, høj vakuum og præcis kontrol. "En masse arbejde er at etablere den indledende superposition og kører," sagde Peter Barker, en del af den eksperimentelle team, som vil forbedre metoder til laser køling og opsamling af microdiamonds. Hvis det kunne gøres med en diamant, tilføjer Herren, "den anden vil ikke være et problem."

hvad er det unikke ved tyngdekraften?

Forskerne i quantum gravity er ingen tvivl om, at tyngdekraften er en quantum interaktion, der kan skabe forvirring. Selvfølgelig, tyngdekraften er noget unikt, og har stadig meget at lære om oprindelsen af tid og rum, men kvantemekanikken skal være involveret, siger forskere. "Godt, rigtig, hvad er pointen i teorien, hvor de fleste quantum fysik og tyngdekraft er en klassiker," siger Daniel Harlow, en quantum gravity forsker ved MIT. Teoretiske argumenter mod blandet quantum-klassiske modeller er meget stærk (dog ikke ubestridt).

På den anden side, de teoretikere, der var forkerte før. "Hvis du kan kontrollere, hvorfor ikke? Hvis denne vil lukke op for disse mennesker, der sætter spørgsmålstegn ved kvantovoi tyngdekraften, ville det være fantastisk," sagde Harlow.

Efter at have Læst det arbejde, Dyson skrev: "de Foreslåede forsøg er bestemt af stor interesse, og det kræver i form af denne quantum system". Dog bemærker han, at den retning, i tanken om forfatterne af quantum felter er forskellige fra ham. "Jeg spekulerer på, om dette forsøg på at løse spørgsmålet om eksistensen af kvantegravitation. Det spørgsmål, jeg har stillet, er, om de observerede enkelte gravitonen er et andet spørgsmål, og det kan have et forskelligt svar."

Den tankegang, Bose, Marletto og deres kolleger om kvantegravitation stammer fra arbejdet i Bronstein i 1935. (Dyson kaldes arbejde Bronstein "godt arbejde", som han ikke havde set før). Især Bronstein har vist, at svag tyngdekraft, vi føder, for at lave vægt kan estimeres på basis af Newtons tyngdelov. (Dette er den kraft, der virker mellem sammensætningen af microdiamonds). Ifølge Blanco, beregninger af de svage kvantiserede tyngdekraften er ikke særlig gennemført, selv om der er helt sikkert mere relevant end den fysik af sorte huller eller Big Bang. Han håbede, at de nye eksperimentelle forslag vil fremme teoretikere til at søge efter subtile justeringer til den Newtonske tilnærmelse, der er en fremtid for desktop eksperimenter kunne prøve at tjekke.

Leonard Susskind, en berømt teoretiker af kvantegravitation og strygere på Stanford University, så værdien af den foreslåede eksperiment, fordi "det giver observationer af tyngdekraften i den nye serie af masserne og afstande". Men han og andre forskere, der understregede, at MicroBlaze kan ikke afsløre noget om den komplette teori om kvantegravitation eller rum-tid. Han og hans kolleger ville gerne forstå, hvad der sker i centrum af sorte huller og Big Bang.

Måske et af de spor, hvorfor kvantisere tyngdekraften så meget hårdere end alle de andre, er der andre kræfter i naturen har såkaldte "title": af en quantum partikel i et område af feltet (fotoner i det elektromagnetiske felt, for eksempel) "uafhængig af andre fysiske enheder i et andet område af rummet," siger mark van Raamsdonk, teoretiker af kvantegravitation fra University of British Columbia. "Men der er mange teoretiske beviser for, at tyngdekraften virker, er forkert."

Den bedste sand modeller for kvantegravitation (med forenklede rum-tid geometrier) det er umuligt at antage, at tape rum-tid stoffet er opdelt i selvstændige tre-dimensionelle stykker, sagde Wang Raamsdonk. I stedet, moderne teori foreslår, at den underliggende, grundlæggende bestanddele af plads «to-dimensionelle organiseret meget mere». Strukturen af rum-tid kan være som et hologram eller et video spil. «Om billedet er tre-dimensional, oplysninger, der er gemt i en to-dimensional computer chip». I dette tilfælde den tre-dimensionelle verden er illusa i den forstand, at de forskellige dele ikke er så uafhængige. I analogi med et video spil, et par stumper på den to-dimensionelle chip kan indkode den globale funktion af hele gaming-universet.

Og denne forskel betyder noget, når du forsøger at oprette en kvanteteori for gravitation. Den sædvanlige metode til at kvantisering af noget, er at definere dets enkelte dele, de partikler, for eksempel, og derefter brug af kvantemekanik. Men hvis du ikke angiver den korrekte komponenter, vil du få den forkerte ligning. Direkte kvantisering af tre-dimensionelle rum, som ønskede at gøre Bronstein, arbejder ii en vis udstrækning med en svag tyngdekraft, men er ubrugelige, når den rum-tid er stærkt buet.

Nogle eksperter siger, at vidne smil af kvantegravitation kan føre til motivation af denne art af abstrakt tænkning. I den sidste ende, selv de mest høj-profil teoretiske argumenter om eksistensen af kvantegravitation, der ikke understøttes af eksperimentelle kendsgerninger. Når van Raamsdonk fortæller om sin forskning i foredraget af forskere, siger han, der normalt begynder med en historie om, hvad tyngdekraft er du nødt til at genoverveje, kvantemekanik, fordi den klassiske beskrivelse af rum-tiden bryder sammen i sorte huller og Big Bang.

"Men hvis du gennemføre denne simple eksperiment og vise, at det gravitationelle felt var i en superposition, svigt af den klassiske beskrivelse bliver synlige. Fordi det er et eksperiment, hvilket betyder, at tyngdekraften er quantum".

materialer af Kvanter Magazine