Physicists Eye Quantum-Gravity Interface
Ξεκινά σαν ένα πείραμα φυσικής σχολικού βιβλίου, με μια μπάλα προσαρτημένη σε ένα ελατήριο. Εάν ένα φωτόνιο χτυπήσει τη σφαίρα, η κρούση την κάνει να ταλαντώνεται πολύ απαλά. Αλλά υπάρχει μια σύλληψη. Πριν φτάσει στη σφαίρα, το φωτόνιο συναντά έναν μισοαργυρωμένο καθρέφτη, ο οποίος αντανακλά το μισό φως που το χτυπά και επιτρέπει στο άλλο μισό να περάσει.
Το τι θα συμβεί στη συνέχεια εξαρτάται από το ποια από τις δύο εξαιρετικά δοκιμασμένες αλλά αντικρουόμενες θεωρίες είναι σωστή:η κβαντική μηχανική ή η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αυτά περιγράφουν τις ιδιότητες μικρής και μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος, αντίστοιχα.
Σε ένα περίεργο κβαντομηχανικό φαινόμενο που ονομάζεται «υπέρθεση», το φωτόνιο περνάει ταυτόχρονα και ανακλάται προς τα πίσω από τον καθρέφτη. μετά χτυπάει και δεν χτυπάει την μπάλα. Εάν η κβαντομηχανική λειτουργεί σε μακροσκοπικό επίπεδο, τότε η μπάλα θα αρχίσει να ταλαντώνεται και θα παραμείνει ακίνητη, μπαίνοντας σε μια υπέρθεση των δύο καταστάσεων. Επειδή η μπάλα έχει μάζα, το βαρυτικό της πεδίο θα χωριστεί επίσης σε μια υπέρθεση.
Αλλά σύμφωνα με τη γενική σχετικότητα, η βαρύτητα στρεβλώνει τον χώρο και τον χρόνο γύρω από την μπάλα. Η θεωρία δεν μπορεί να ανεχθεί τη στρέβλωση του χώρου και του χρόνου με δύο διαφορετικούς τρόπους, που θα μπορούσαν να αποσταθεροποιήσουν την υπέρθεση, αναγκάζοντας την μπάλα να υιοθετήσει τη μία ή την άλλη κατάσταση.
Η γνώση του τι συμβαίνει με τη μπάλα θα μπορούσε να βοηθήσει τους φυσικούς να επιλύσουν τη σύγκρουση μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας. Αλλά τέτοια πειράματα θεωρούνται από καιρό ανέφικτα:Μόνο οντότητες μεγέθους φωτονίων μπορούν να τεθούν σε κβαντικές υπερθέσεις και μόνο αντικείμενα μεγέθους μπάλας έχουν ανιχνεύσιμα βαρυτικά πεδία. Η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα κυριαρχούν σε διαφορετικούς τομείς και φαίνεται να συγκλίνουν μόνο σε εξαιρετικά πυκνές μαύρες τρύπες κβαντικού μεγέθους. Στο εργαστήριο, όπως έγραψε ο φυσικός Freeman Dyson το 2004, «οποιεσδήποτε διαφορές μεταξύ των προβλέψεών τους είναι φυσικά μη ανιχνεύσιμες».
Τα τελευταία δύο χρόνια, αυτή η ευρέως διαδεδομένη άποψη έχει αρχίσει να αλλάζει. Με τη βοήθεια νέων οργάνων ακριβείας και έξυπνων προσεγγίσεων για την έμμεση ανίχνευση ανεπαίσθητων φαινομένων, οι πειραματιστές λαμβάνουν τώρα βήματα προς τη διερεύνηση της διεπαφής μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας σε δοκιμές όπως αυτή με το φωτόνιο και τη σφαίρα. Οι νέες πειραματικές δυνατότητες αναζωογονούν την 80χρονη αναζήτηση μιας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας.
«Το μεγαλύτερο μεμονωμένο πρόβλημα όλης της φυσικής είναι πώς να συμβιβάσουμε τη βαρύτητα και την κβαντομηχανική», είπε ο Φίλιπ Στάμπ, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας. "Ξαφνικά, είναι σαφές ότι υπάρχει στόχος."
Οι θεωρητικοί σκέφτονται πώς θα μπορούσαν να εξελιχθούν τα πειράματα και τι θα σήμαινε κάθε αποτέλεσμα για μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία που συγχωνεύει την κβαντική μηχανική και τη γενική σχετικότητα. «Κανένας από τους δύο δεν έχει αποτύχει ποτέ», είπε ο Stamp. «Είναι ασυμβίβαστα. Αν τα πειράματα καταφέρουν να αντιμετωπίσουν αυτή τη σύγκρουση, αυτό είναι μεγάλη υπόθεση."
Κβαντική φύση
Στην κβαντική κλίμακα, αντί να είναι «εδώ» ή «εκεί», όπως τείνουν να είναι οι μπάλες, τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν μια ορισμένη πιθανότητα να υπάρχουν σε καθεμία από τις θέσεις. Αυτές οι πιθανότητες είναι σαν τις κορυφές ενός κύματος που συχνά εκτείνεται στο διάστημα. Όταν ένα φωτόνιο συναντά δύο παρακείμενες σχισμές σε μια οθόνη, για παράδειγμα, έχει 50-50 πιθανότητες να περάσει από οποιαδήποτε από αυτές. Οι κορυφές πιθανοτήτων που σχετίζονται με τα δύο μονοπάτια του συναντώνται στην μακρινή πλευρά της οθόνης, δημιουργώντας περιθώρια παρεμβολής φωτός και σκότους. Αυτά τα κρόσσια αποδεικνύουν ότι το φωτόνιο υπήρχε σε μια υπέρθεση και των δύο τροχιών.
Αλλά οι κβαντικές υπερθέσεις είναι λεπτές. Τη στιγμή που ένα σωματίδιο σε μια υπέρθεση αλληλεπιδρά με το περιβάλλον, φαίνεται να καταρρέει σε μια καθορισμένη κατάσταση «εδώ» ή «εκεί». Η σύγχρονη θεωρία και τα πειράματα προτείνουν ότι αυτό το φαινόμενο, που ονομάζεται περιβαλλοντική αποσυνοχή, συμβαίνει επειδή η υπέρθεση διαρρέει και περιβάλλει ό,τι αντιμετώπισε το σωματίδιο. Μόλις διαρρεύσει, η υπέρθεση επεκτείνεται γρήγορα για να συμπεριλάβει τον φυσικό που προσπαθεί να τη μελετήσει ή τον μηχανικό που προσπαθεί να την αξιοποιήσει για να κατασκευάσει έναν κβαντικό υπολογιστή. Από μέσα, μόνο μία από τις πολλές επάλληλες εκδοχές της πραγματικότητας είναι αντιληπτή.
Ένα μόνο φωτόνιο είναι εύκολο να διατηρηθεί σε μια υπέρθεση. Ογκώδη αντικείμενα όπως μια μπάλα σε ένα ελατήριο, ωστόσο, «γίνονται εκθετικά ευαίσθητα στις περιβαλλοντικές διαταραχές», εξήγησε ο Gerard Milburn, διευθυντής του Κέντρου Μηχανικών Κβαντικών Συστημάτων στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ στην Αυστραλία. "Οι πιθανότητες να διαταραχθεί κάποιο από τα σωματίδια του από ένα τυχαίο λάκτισμα από το περιβάλλον είναι εξαιρετικά υψηλές."
Λόγω της περιβαλλοντικής αποσυνοχής, η ιδέα της ανίχνευσης κβαντικών υπερθέσεων τεράστιων αντικειμένων σε επιτραπέζια πειράματα φαινόταν για δεκαετίες νεκρή στο νερό. «Το πρόβλημα είναι η απομόνωση, διασφαλίζοντας ότι δεν υπάρχουν διαταραχές εκτός από τη βαρύτητα», είπε ο Milburn. Αλλά οι προοπτικές έχουν βελτιωθεί δραματικά.
Ο Dirk Bouwmeester, ένας πειραματικός φυσικός που μοιράζει το χρόνο του μεταξύ του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια, της Santa Barbara και του Leiden University στην Ολλανδία, έχει αναπτύξει μια διάταξη που μοιάζει πολύ με το πείραμα φωτονίου και μπάλας, αλλά αντικαθιστώντας τη μπάλα στο ελατήριό της με ένα αντικείμενο ονομάζεται οπτομηχανικός ταλαντωτής — ουσιαστικά ένας μικροσκοπικός καθρέφτης σε ένα εφαλτήριο. Ο στόχος είναι να τεθεί ο ταλαντωτής σε μια κβαντική υπέρθεση δύο τρόπων δόνησης και, στη συνέχεια, να δούμε εάν η βαρύτητα αποσταθεροποιεί την υπέρθεση.
Πριν από δέκα χρόνια, οι καλύτεροι οπτομηχανικοί ταλαντωτές του είδους που απαιτούνται για το πείραμα του Bouwmeester μπορούσαν να κουνιούνται μπρος-πίσω 100.000 φορές χωρίς να σταματήσουν. Αλλά αυτό δεν ήταν αρκετό για να εμφανιστούν τα αποτελέσματα της βαρύτητας. Τώρα, οι βελτιωμένοι ταλαντωτές μπορούν να κινηθούν ένα εκατομμύριο φορές, κάτι που ο Bouwmeester υπολογίζει ότι είναι κοντά σε αυτό που χρειάζεται για να δει ή να αποκλείσει την αποσυνοχή που προκαλείται από τη βαρύτητα. «Μέσα σε τρία έως πέντε χρόνια, θα αποδείξουμε κβαντικές υπερθέσεις αυτού του καθρέφτη», είπε. Μετά από αυτό, αυτός και η ομάδα του πρέπει να μειώσουν τις περιβαλλοντικές διαταραχές στον ταλαντωτή μέχρι να είναι ευαίσθητος στην κρούση ενός μόνο φωτονίου. «Θα έχει αποτέλεσμα», επιμένει.
Εξίσου αισιόδοξος είναι και ο Markus Aspelmeyer, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης. Η ομάδα του αναπτύσσει τρία ξεχωριστά πειράματα στη διεπαφή κβαντικής βαρύτητας - δύο για το εργαστήριο και ένα για έναν δορυφόρο σε τροχιά. Στο διαστημικό πείραμα, μια νανόσφαιρα θα ψυχθεί στη χαμηλότερη ενεργειακή της κατάσταση κίνησης και ένας παλμός λέιζερ θα βάλει τη νανόσφαιρα σε μια κβαντική υπέρθεση δύο θέσεων, δημιουργώντας μια κατάσταση σαν ένα πείραμα διπλής σχισμής. Η νανόσφαιρα θα συμπεριφέρεται σαν ένα κύμα με δύο παρεμβαλλόμενες κορυφές καθώς κινείται προς έναν ανιχνευτή. Κάθε νανόσφαιρα μπορεί να ανιχνευθεί μόνο σε μία μόνο θέση, αλλά μετά από πολλές επαναλήψεις του πειράματος, θα εμφανιστούν κρόσσια παρεμβολής στην κατανομή των θέσεων των νανοσφαιρών. Εάν η βαρύτητα καταστρέφει τις υπερθέσεις, τα κρόσσια δεν θα εμφανιστούν για νανοσφαίρες που είναι πολύ μεγάλες.
Η ομάδα σχεδιάζει ένα παρόμοιο πείραμα για την επιφάνεια της Γης, αλλά θα πρέπει να περιμένει. Προς το παρόν, οι νανοσφαίρες δεν μπορούν να ψυχθούν αρκετά και πέφτουν πολύ γρήγορα κάτω από τη βαρύτητα της Γης, για να λειτουργήσει η δοκιμή. Αλλά «αποδεικνύεται ότι οι οπτικές πλατφόρμες σε δορυφόρους πληρούν ήδη τις απαιτήσεις που χρειαζόμαστε για τα πειράματά μας», δήλωσε ο Aspelmeyer, ο οποίος συνεργάζεται με την Ευρωπαϊκή Εταιρεία Αεροναυτικής Άμυνας και Διαστήματος στη Γερμανία. Η ομάδα του έδειξε πρόσφατα ένα βασικό τεχνικό βήμα που απαιτείται για το πείραμα. Εάν κατέβει από το έδαφος και πάει όπως έχει προγραμματιστεί, θα αποκαλύψει τη σχέση μεταξύ της μάζας των νανοσφαιρών και της αποσυνοχής, αντιπαραβάλλοντας τη βαρύτητα με την κβαντομηχανική.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν ένα άλλο επίγειο πείραμα την περασμένη άνοιξη στη Φυσική της Φύσης. Πολλές προτεινόμενες θεωρίες κβαντικής βαρύτητας περιλαμβάνουν τροποποιήσεις στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, έναν ακρογωνιαίο λίθο της κβαντικής μηχανικής που λέει ότι δεν είναι δυνατό να μετρηθεί με ακρίβεια τόσο η θέση όσο και η ορμή ενός αντικειμένου ταυτόχρονα. Οποιεσδήποτε αποκλίσεις στον τύπο του Heisenberg θα πρέπει να εμφανίζονται στην αβεβαιότητα θέσης-ορμής ενός οπτομηχανικού ταλαντωτή, επειδή επηρεάζεται από τη βαρύτητα. Η ίδια η αβεβαιότητα είναι ασύγκριτα μικρή - μια θολούρα μόλις 100 εκατομμυρίων τρισεκατομμυρίων του πλάτους ενός πρωτονίου - αλλά ο Igor Pikovski, ένας θεωρητικός στην ομάδα του Aspelmeyer, έχει ανακαλύψει μια κερκόπορτα για την ανίχνευση της. Όταν ένας παλμός φωτός χτυπήσει τον ταλαντωτή, ο Pikovski ισχυρίζεται ότι η φάση του (η θέση των κορυφών και των κατώφλιών του) θα υποστεί μια ευδιάκριτη μετατόπιση που εξαρτάται από την αβεβαιότητα. Οι αποκλίσεις από τις προβλέψεις της παραδοσιακής κβαντικής μηχανικής θα μπορούσαν να είναι πειραματικές αποδείξεις της κβαντικής βαρύτητας.
Η ομάδα του Aspelmeyer έχει αρχίσει να πραγματοποιεί τα πρώτα πειραματικά βήματα. Η ιδέα του Pikovski «μας προσφέρει μια αρκετά, οφείλω να ομολογήσω, απροσδόκητη βελτίωση στην απόδοση», είπε ο Aspelmeyer. "Είμαστε όλοι λίγο έκπληκτοι, στην πραγματικότητα."
Η αναμέτρηση
Πολλοί φυσικοί αναμένουν ότι η κβαντική θεωρία θα επικρατήσει. Πιστεύουν ότι η σφαίρα σε ένα ελατήριο θα πρέπει, καταρχήν, να μπορεί να υπάρχει σε δύο σημεία ταυτόχρονα, όπως μπορεί ένα φωτόνιο. Το βαρυτικό πεδίο της μπάλας θα πρέπει να μπορεί να παρεμβαίνει στον εαυτό του σε μια κβαντική υπέρθεση, όπως ακριβώς κάνει το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του φωτονίου. "Δεν καταλαβαίνω γιατί αυτές οι έννοιες της κβαντικής θεωρίας που έχουν αποδειχθεί σωστές για την περίπτωση του φωτός θα πρέπει να αποτύχουν για την περίπτωση της βαρύτητας", είπε ο Aspelmeyer.
Αλλά η ίδια η ασυμβατότητα της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής υποδηλώνει ότι η βαρύτητα μπορεί να συμπεριφέρεται διαφορετικά. Μια συναρπαστική ιδέα είναι ότι η βαρύτητα θα μπορούσε να λειτουργήσει ως ένα είδος αναπόφευκτου θορύβου περιβάλλοντος που καταρρέει τις υπερθέσεις.
«Ενώ μπορείτε να απαλλαγείτε από τα μόρια του αέρα και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, δεν μπορείτε να ελέγξετε τη βαρύτητα», δήλωσε ο Miles Blencowe, καθηγητής φυσικής στο Dartmouth College. "Η άποψή μου είναι ότι η βαρύτητα μοιάζει με το θεμελιώδες, αναπόφευκτο περιβάλλον της τελευταίας λύσης."
Η ιδέα του θορύβου παρασκηνίου συνελήφθη στις δεκαετίες του 1980 και του 1990 από τον Lajos Diósi του Ερευνητικού Κέντρου για τη Φυσική Wigner στην Ουγγαρία και, ξεχωριστά, από τον Roger Penrose του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης. Σύμφωνα με το μοντέλο του Penrose, μια ασυμφωνία στην καμπυλότητα του χώρου και του χρόνου θα μπορούσε να συσσωρευτεί κατά τη διάρκεια μιας υπέρθεσης, καταστρέφοντάς την τελικά. Όσο πιο μαζικό ή ενεργητικό είναι το αντικείμενο που εμπλέκεται και, επομένως, όσο μεγαλύτερο είναι το βαρυτικό του πεδίο, τόσο πιο γρήγορα θα συμβεί η «βαρυτική αποσυνοχή». Η χωροχρονική απόκλιση οδηγεί τελικά σε ένα μη μειωμένο επίπεδο θορύβου στη θέση και την ορμή των σωματιδίων, σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας.
"Αυτό θα ήταν ένα θαυμάσιο αποτέλεσμα εάν ο τελικός λόγος για την αρχή της αβεβαιότητας και τα αινιγματικά χαρακτηριστικά της κβαντικής φυσικής οφείλονται σε κάποια κβαντικά αποτελέσματα του χώρου και του χρόνου", είπε ο Milburn.
Εμπνευσμένοι από τη δυνατότητα πειραματικών δοκιμών, ο Milburn και άλλοι θεωρητικοί επεκτείνονται στη βασική ιδέα των Diósi και Penrose. Σε ένα άρθρο του Ιουλίου στο Physical Review Letters, ο Blencowe εξήγαγε μια εξίσωση για τον ρυθμό βαρυτικής αποσυνοχής μοντελοποιώντας τη βαρύτητα ως ένα είδος ακτινοβολίας περιβάλλοντος. Η εξίσωσή του περιέχει μια ποσότητα που ονομάζεται ενέργεια Planck, η οποία ισούται με τη μάζα της μικρότερης δυνατής μαύρης τρύπας. «Όταν βλέπουμε την ενέργεια Planck σκεφτόμαστε την κβαντική βαρύτητα», είπε. "Επομένως, αυτός ο υπολογισμός μπορεί να αγγίζει στοιχεία αυτής της ανεξερεύνητης θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας, και αν είχαμε μία, θα μας έδειχνε ότι η βαρύτητα είναι θεμελιωδώς διαφορετική από άλλες μορφές αποσυνοχής."
Ο Stamp αναπτύσσει αυτό που αποκαλεί «θεωρία συσχετισμένης διαδρομής» της κβαντικής βαρύτητας που εντοπίζει έναν πιθανό μαθηματικό μηχανισμό για βαρυτική αποσυνοχή. Στην παραδοσιακή κβαντομηχανική, οι πιθανότητες μελλοντικών αποτελεσμάτων υπολογίζονται αθροίζοντας ανεξάρτητα τις διάφορες διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει ένα σωματίδιο, όπως οι ταυτόχρονες τροχιές του μέσω και των δύο σχισμών σε μια οθόνη. Η σφραγίδα διαπίστωσε ότι όταν η βαρύτητα περιλαμβάνεται στους υπολογισμούς, οι διαδρομές συνδέονται. «Η βαρύτητα είναι βασικά η αλληλεπίδραση που επιτρέπει την επικοινωνία μεταξύ των διαφορετικών μονοπατιών», είπε. Η συσχέτιση μεταξύ των μονοπατιών οδηγεί για άλλη μια φορά σε αποσυνοχή. «Δεν υπάρχουν ρυθμιζόμενες παράμετροι», είπε. «Κανένας χώρος για κουνήματα. Αυτές οι προβλέψεις είναι απολύτως σαφείς."
Σε συναντήσεις και εργαστήρια, θεωρητικοί και πειραματιστές εργάζονται στενά για να συντονίσουν τις διάφορες προτάσεις και τα σχέδια για τη δοκιμή τους. Λένε ότι είναι μια κατάσταση που προκαλεί αμοιβαία κίνητρα.
«Στην τελική αναμέτρηση μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της βαρύτητας, η κατανόησή μας για τον χώρο και τον χρόνο θα αλλάξει εντελώς», είπε ο Milburn. "Ελπίζουμε ότι αυτά τα πειράματα θα οδηγήσουν το δρόμο."
