Πώς μπορούν να βουίζουν τα κομμάτια της κβαντικής βαρύτητας

Πολλοί φυσικοί υποθέτουν ότι υπάρχουν γκραβιτόνια, αλλά λίγοι πιστεύουν ότι θα τα δούμε ποτέ. Αυτά τα υποθετικά στοιχειώδη σωματίδια αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο των θεωριών της κβαντικής βαρύτητας, οι οποίες επιδιώκουν να ενοποιήσουν τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν με την κβαντική μηχανική. Αλλά είναι πολύ δύσκολο - ίσως αδύνατο - να παρατηρηθούν στη φύση.

Ο κόσμος των γκραβιτόνων γίνεται εμφανής μόνο όταν κάνετε μεγέθυνση στο ύφασμα του χωροχρόνου στη μικρότερη δυνατή κλίμακα, κάτι που απαιτεί μια συσκευή που μπορεί να αξιοποιήσει πραγματικά ακραία ποσά ενέργειας. Δυστυχώς, οποιαδήποτε συσκευή μέτρησης ικανή να διερευνήσει απευθείας αυτό το «μήκος Planck» θα ήταν αναγκαστικά τόσο μεγάλη που θα κατέρρεε σε μια μαύρη τρύπα. «Φαίνεται ότι η Φύση συνωμοτεί για να απαγορεύσει οποιαδήποτε μέτρηση της απόστασης με σφάλμα μικρότερο από το μήκος του Πλανκ», είπε ο Φρίμαν Ντάισον, ο διάσημος θεωρητικός φυσικός, σε μια ομιλία του 2013 που παρουσίαζε έναν υπολογισμό αυτού του ορίου στο βάθος του φακέλου.

Και έτσι τα γκραβιτόνια, σύμφωνα με τη συμβατική σκέψη, θα μπορούσαν να αποκαλυφθούν μόνο στα πιο ακραία μέρη του σύμπαντος:γύρω από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης ή στην καρδιά των μαύρων τρυπών. «Το πρόβλημα με τις μαύρες τρύπες είναι ότι είναι μαύρες και έτσι δεν βγαίνει τίποτα», είπε ο Daniel Holz, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. "Και τα πράγματα με την κβαντική βαρύτητα συμβαίνουν ακριβώς στο κέντρο αυτού - οπότε είναι πολύ κακό."

Αλλά πρόσφατα δημοσιευμένα έγγραφα αμφισβητούν αυτήν την άποψη, υποδηλώνοντας ότι τα γκραβιτόνια μπορεί να δημιουργήσουν παρατηρήσιμο «θόρυβο» σε ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως το LIGO, το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων Συμβολομετρητή Λέιζερ. «Διαπιστώσαμε ότι η κβαντική ασάφεια του χωροχρόνου αποτυπώνεται στην ύλη ως ένα είδος jitter», δήλωσε ο Maulik Parikh, κοσμολόγος στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και συν-συγγραφέας μιας από τις εργασίες. em>

Και ενώ είναι ακόμα ασαφές εάν τα υπάρχοντα ή ακόμη και τα μελλοντικά παρατηρητήρια βαρυτικών κυμάτων έχουν την ευαισθησία που απαιτείται για να ανιχνεύσουν αυτόν τον θόρυβο, αυτοί οι υπολογισμοί έχουν κάνει το σχεδόν αδύνατο τουλάχιστον εύλογο. Εξετάζοντας το πώς τα γκραβιτόνια αλληλεπιδρούν μαζικά με έναν ανιχνευτή, έδωσαν μια στέρεη θεωρητική βάση στην ιδέα του θορύβου graviton - και οδήγησαν τους φυσικούς ένα βήμα πιο κοντά σε μια πειραματική απόδειξη ότι βαθιά μέσα, η βαρύτητα παίζει με τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής.

The Jitter of the Wave

Ο υπολογισμός του Dyson το 2013 έπεισε πολλούς ανθρώπους ότι οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων ήταν, στην καλύτερη περίπτωση, μη πρακτικοί ανιχνευτές για την εκμάθηση της κβαντικής βαρύτητας.

«Υπάρχει ένα είδος προεπιλεγμένης συναίνεσης ότι είναι χάσιμο χρόνου να σκεφτόμαστε τα κβαντικά φαινόμενα και τη βαρυτική ακτινοβολία», δήλωσε ο Frank Wilczek, νομπελίστας φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, ο οποίος ήταν από κοινού με τον Parikh στο νέο. χαρτί. Πράγματι, ούτε ο Wilczek, ο Parikh ούτε ο George Zahariade, κοσμολόγος στην Πολιτεία της Αριζόνα και ο τρίτος συν-συγγραφέας, πήραν την πιθανότητα σοβαρά μέχρι μετά την ανακάλυψη βαρυτικών κυμάτων το 2015 από το LIGO. "Δεν υπάρχει τίποτα σαν τα πραγματικά πειραματικά αποτελέσματα για να εστιάσει την προσοχή", είπε ο Wilczek.

Τα γκραβιτόνια πιστεύεται ότι μεταφέρουν τη δύναμη της βαρύτητας με τρόπο παρόμοιο με τον τρόπο που τα φωτόνια μεταφέρουν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη. Ακριβώς όπως οι ακτίνες φωτός μπορούν να απεικονιστούν ως μια συλλογή φωτονίων με καλή συμπεριφορά, τα βαρυτικά κύματα - κυματισμοί στο χωροχρόνο που δημιουργούνται από βίαιες κοσμικές διεργασίες - πιστεύεται ότι αποτελούνται από γκραβιτόνια. Έχοντας αυτό κατά νου, οι συγγραφείς ρώτησαν εάν οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων είναι, καταρχήν, αρκετά ευαίσθητοι για να δουν τα γκραβιτόνια. «Είναι σαν να ρωτάς:Πώς μπορεί ένας σέρφερ σε ένα κύμα να καταλάβει μόνο από την κίνηση ότι το κύμα αποτελείται από σταγόνες νερού;» είπε ο Parikh.

Σε αντίθεση με τον Dyson, του οποίου ο υπολογισμός με ευρεία βούρτσα επικεντρώθηκε σε ένα μόνο γκραβιτόνιο, εξέτασαν τα αποτελέσματα πολλών γραβιτονίων. «Πάντα εμπνεόμασταν από την κίνηση Brown», είπε ο Parikh, αναφερόμενος στο τυχαίο τίναγμα και τίναγμα μικροσκοπικών σωματιδίων σε ένα ρευστό. Ο Αϊνστάιν χρησιμοποίησε την κίνηση Brown για να συμπεράνει την ύπαρξη ατόμων, τα οποία βομβαρδίζουν τα μικροσκοπικά σωματίδια. Με τον ίδιο τρόπο, η συλλογική συμπεριφορά πολλών γκραβιτονίων μπορεί να αναδιαμορφώσει διακριτικά ένα βαρυτικό κύμα.

Οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορούν, στην απλούστερη μορφή τους, να θεωρηθούν ως δύο μάζες που χωρίζονται από κάποια απόσταση. Όταν περνάει ένα βαρυτικό κύμα, αυτή η απόσταση θα αυξάνεται και θα μειώνεται καθώς το κύμα τεντώνεται και συνθλίβει το χώρο μεταξύ των μαζών. Προσθέστε γκραβιτόνια στο μείγμα, ωστόσο, και προσθέστε μια νέα κίνηση πάνω από τους συνηθισμένους κυματισμούς στο χωροχρόνο. Καθώς ο ανιχνευτής απορροφά και εκπέμπει γκραβιτόνια, οι μάζες τρέμουν τυχαία. Αυτός είναι θόρυβος graviton. Το πόσο μεγάλο είναι το jitter και, επομένως, αν μπορεί να ανιχνευθεί, εξαρτάται τελικά από τον τύπο του βαρυτικού κύματος που χτυπά τον ανιχνευτή.

Τα βαρυτικά πεδία υπάρχουν σε διαφορετικές «κβαντικές καταστάσεις», ανάλογα με το πώς δημιουργήθηκαν. Τις περισσότερες φορές, ένα βαρυτικό κύμα παράγεται σε μια «συνεκτική κατάσταση», η οποία μοιάζει με κυματισμούς σε μια λίμνη. Ανιχνευτές όπως το LIGO είναι συντονισμένοι για να αναζητήσουν αυτά τα συμβατικά βαρυτικά κύματα, τα οποία εκπέμπονται από μαύρες τρύπες και αστέρια νετρονίων καθώς περιστρέφονται το ένα γύρω από το άλλο και συγκρούονται.

Ακόμη και τα συνεκτικά βαρυτικά κύματα παράγουν θόρυβο graviton, αλλά - όπως διαπίστωσε επίσης ο Dyson - είναι πολύ μικρό για να μετρηθεί ποτέ. Αυτό συμβαίνει επειδή το jitter που δημιουργείται καθώς ο ανιχνευτής απορροφά τα γκραβιτόνια είναι «εξαιρετικά ισορροπημένο» με το jitter που δημιουργείται όταν εκπέμπει γκραβιτόνια, είπε ο Wilczek, ο οποίος ήλπιζε ότι ο υπολογισμός τους θα οδηγούσε σε μεγαλύτερο θόρυβο για συνεκτικές καταστάσεις. «Ήταν λίγο απογοητευτικό», είπε.

Απτόητοι, οι Parikh, Wilczek και Zahariade εξέτασαν πολλούς άλλους τύπους βαρυτικών κυμάτων που ο Dyson δεν έλαβε υπόψη. Βρήκαν ότι μια κβαντική κατάσταση συγκεκριμένα, που ονομάζεται κατάσταση συμπίεσης, παράγει έναν πολύ πιο έντονο θόρυβο graviton. Στην πραγματικότητα, οι Parikh, Wilczek και Zahariade διαπίστωσαν ότι ο θόρυβος αυξάνεται εκθετικά όσο περισσότερο συμπιέζονται τα γκραβιτόνια.

Η θεωρητική τους εξερεύνηση πρότεινε - ενάντια στην επικρατούσα σοφία - ότι ο θόρυβος graviton είναι καταρχήν παρατηρήσιμος. Επιπλέον, η ανίχνευση αυτού του θορύβου θα ενημερώσει τους φυσικούς για τις εξωτικές πηγές που θα μπορούσαν να δημιουργήσουν συμπιεσμένα βαρυτικά κύματα. «Το σκέφτονται με πολύ σοβαρό τρόπο και το προσεγγίζουν με ακριβή γλώσσα», είπε ο Erik Verlinde, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ.

«Είχαμε πάντα αυτή την εικόνα ότι τα γκραβιτόνια θα βομβάρδιζαν τους ανιχνευτές με κάποιο τρόπο, και έτσι θα υπήρχε ένα μικρό τρεμόπαιγμα», είπε ο Parikh. "Αλλά", πρόσθεσε ο Zahariade, "όταν καταλάβαμε πώς προκύπτει μαθηματικά αυτός ο όρος θορύβου graviton, ήταν μια όμορφη στιγμή."

Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν σε τρία χρόνια και συνοψίζονται σε πρόσφατο έγγραφο. Το έγγραφο που περιγράφει το πλήρες σύνολο υπολογισμών βρίσκεται επί του παρόντος υπό αξιολόγηση από ομοτίμους.

Ωστόσο, ενώ το συμπιεσμένο φως παράγεται συνήθως στο εργαστήριο - συμπεριλαμβανομένου του LIGO - είναι ακόμα άγνωστο εάν υπάρχουν συμπιεσμένα βαρυτικά κύματα. Ο Wilczek υποπτεύεται ότι τα τελικά στάδια των συγχωνεύσεων της μαύρης τρύπας, όπου τα βαρυτικά πεδία είναι πολύ ισχυρά και αλλάζουν γρήγορα, θα μπορούσαν να προκαλέσουν αυτό το φαινόμενο συμπίεσης. Ο πληθωρισμός - μια περίοδος στο πρώιμο σύμπαν όπου ο χωροχρόνος επεκτάθηκε πολύ γρήγορα - θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε συμπίεση. Οι συγγραφείς σχεδιάζουν τώρα να δημιουργήσουν ακριβή μοντέλα αυτών των κοσμολογικών γεγονότων και των βαρυτικών κυμάτων που εκπέμπουν.

«Αυτό ανοίγει την πόρτα σε πολύ δύσκολους υπολογισμούς που θα είναι μια πρόκληση να συνεχιστούν μέχρι το τέλος», είπε ο Wilczek. "Αλλά τα καλά νέα είναι ότι γίνεται πραγματικά ενδιαφέρον και δυνητικά ρεαλιστικό ως πειραματικός στόχος."

Ανακίνηση ολογράμματος

Αντί να αναζητούν κβαντικές πηγές στο σύμπαν, άλλοι φυσικοί ελπίζουν να δουν θόρυβο γκραβιτών απευθείας στο κενό του χωροχρόνου, όπου τα σωματίδια φευγαλέα εμφανίζονται στην ύπαρξη και στη συνέχεια εξαφανίζονται. Όπως εμφανίζονται, αυτά τα εικονικά σωματίδια προκαλούν τον χωροχρόνο να παραμορφώνεται απαλά γύρω τους, δημιουργώντας τυχαίες διακυμάνσεις γνωστές ως αφρός χωροχρόνου.

Αυτός ο κβαντικός κόσμος μπορεί να φαίνεται απρόσιτος για πειράματα. Αλλά δεν είναι — εάν το σύμπαν υπακούει στην «ολογραφική αρχή», στην οποία το ύφασμα του χωροχρόνου αναδύεται με τον ίδιο τρόπο που ένα τρισδιάστατο ολόγραμμα αναδύεται από ένα μοτίβο 2D. Εάν η ολογραφική αρχή είναι αληθής, κβαντικά σωματίδια όπως το γκραβιτόν ζουν στην επιφάνεια χαμηλότερης διάστασης και κωδικοποιούν τη γνωστή δύναμη της βαρύτητας στον χωροχρόνο υψηλότερης διάστασης.

Σε ένα τέτοιο σενάριο, τα αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας μπορούν να ενισχυθούν στον καθημερινό κόσμο των πειραμάτων όπως το LIGO. Πρόσφατη εργασία του Verlinde και της Kathryn Zurek, μιας θεωρητικής φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια, προτείνει τη χρήση LIGO ή άλλου ευαίσθητου συμβολόμετρου για την παρατήρηση του κενού αέρος που περιβάλλει το όργανο.

Σε ένα ολογραφικό σύμπαν, το συμβολόμετρο βρίσκεται σε υψηλότερης διάστασης χωροχρόνο, ο οποίος είναι στενά τυλιγμένος σε μια κβαντική επιφάνεια χαμηλότερης διάστασης. Προσθέτοντας τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις σε όλη την επιφάνεια δημιουργεί έναν θόρυβο που είναι αρκετά μεγάλος ώστε να ανιχνεύεται από το συμβολόμετρο. «Δείξαμε ότι τα φαινόμενα λόγω της κβαντικής βαρύτητας δεν καθορίζονται μόνο από την κλίμακα Planck, αλλά και από την κλίμακα [του συμβολόμετρου]», είπε ο Verlinde.

Εάν οι υποθέσεις τους σχετικά με την ολογραφική αρχή ισχύουν, ο θόρυβος graviton θα γίνει πειραματικός στόχος για το LIGO ή ακόμα και για ένα επιτραπέζιο πείραμα. Το 2015 στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Φέρμι, ένα επιτραπέζιο πείραμα που ονομάζεται Ολόμετρο αναζήτησε στοιχεία ότι το σύμπαν είναι ολογραφικό - και βρέθηκε ανεπαρκές. «Οι θεωρητικές ιδέες εκείνη την εποχή ήταν πολύ πρωτόγονες», είπε ο Verlinde, σημειώνοντας ότι οι υπολογισμοί στην εργασία του με τον Zurek βασίζονται στις πιο εις βάθος ολογραφικές μεθόδους που αναπτύχθηκαν από τότε. Εάν οι υπολογισμοί επιτρέπουν στους ερευνητές να προβλέψουν με ακρίβεια πώς φαίνεται αυτός ο θόρυβος graviton, πιστεύει ότι οι πιθανότητες ανακάλυψής τους είναι καλύτερες — αν και ακόμα μάλλον απίθανο.

Η προσέγγιση των Zurek και Verlinde θα λειτουργήσει μόνο εάν το σύμπαν μας είναι ολογραφικό - μια εικασία που απέχει πολύ από το να έχει εδραιωθεί. Περιγράφοντας τη στάση τους ως «περισσότερο μια νοοτροπία άγριας δύσης», ο Zurek είπε, «Είναι υψηλού κινδύνου και απίθανο να πετύχει, αλλά τι στο καλό, δεν καταλαβαίνουμε την κβαντική βαρύτητα».

Αχαρτογράφητη Επικράτεια

Αντίθετα, ο υπολογισμός των Parikh, Wilczek και Zahariade βασίζεται στη φυσική με την οποία λίγοι θα διαφωνούσαν. «Κάναμε έναν πολύ συντηρητικό υπολογισμό, ο οποίος είναι σχεδόν σίγουρα σωστός», είπε ο Parikh. "Ουσιαστικά απλώς υποθέτει ότι υπάρχει κάτι που ονομάζεται βαρυτόνιο και ότι η βαρύτητα μπορεί να κβαντιστεί."

Αλλά το τρίο αναγνωρίζει ότι πρέπει να γίνει περισσότερη θεωρητική εργασία προτού γίνει γνωστό εάν οι τρέχοντες ή προγραμματισμένοι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορούν να ανακαλύψουν το θόρυβο γκραβιτών. «Θα χρειαζόταν πολλά τυχερά διαλείμματα», είπε ο Parikh. Όχι μόνο πρέπει το σύμπαν να φιλοξενεί εξωτικές πηγές που δημιουργούν συμπιεσμένα βαρυτικά κύματα, αλλά και ο θόρυβος του graviton πρέπει να διακρίνεται από τις πολλές άλλες πηγές θορύβου στις οποίες υπόκειται ήδη το LIGO.

«Μέχρι στιγμής, το LIGO δεν έχει δείξει κανένα σημάδι φυσικής που να έρχεται σε αντίθεση με τις προβλέψεις της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν», είπε ο Χολτς, μέλος της συνεργασίας LIGO. «Από εκεί ξεκινάς:Η γενική σχετικότητα είναι καταπληκτική». Ωστόσο, αναγνωρίζει ότι οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων είναι η καλύτερη ελπίδα μας για νέες θεμελιώδεις ανακαλύψεις για το σύμπαν, επειδή το έδαφος είναι «εντελώς αχαρτογράφητο».

Ο Wilczek υποστηρίζει ότι εάν οι ερευνητές κατανοήσουν πώς μπορεί να μοιάζει ο θόρυβος βαρυτονίου, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων μπορούν να προσαρμοστούν για να βελτιώσουν τις πιθανότητες εύρεσης του. «Φυσικά, οι άνθρωποι επικεντρώνονται στην προσπάθεια να ψαρέψουν σήματα και δεν ανησυχούν για τις ενδιαφέρουσες ιδιότητες του θορύβου», είπε ο Wilczek. «Αλλά αν το έχετε αυτό κατά νου, ίσως θα σχεδιάζατε κάτι διαφορετικό». (Ο Holz διευκρίνισε ότι οι ερευνητές του LIGO έχουν ήδη μελετήσει ορισμένα πιθανά σήματα κοσμικού θορύβου.)

Παρά τις μελλοντικές προκλήσεις, ο Wilczek είπε ότι είναι «επιφυλακτικά αισιόδοξος» ότι η δουλειά τους θα οδηγήσει σε προβλέψεις που μπορούν να διερευνηθούν πειραματικά. Σε κάθε περίπτωση, ελπίζει ότι το έγγραφο θα παρακινήσει άλλους θεωρητικούς να μελετήσουν το θόρυβο του βαρυτονίου.

«Η θεμελιώδης φυσική είναι μια δύσκολη υπόθεση. Μπορείτε να γράψετε το όλο θέμα σε ένα μπλουζάκι και είναι δύσκολο να κάνετε προσθήκες ή αλλαγές σε αυτό», είπε ο Wilczek. "Δεν καταλαβαίνω πώς αυτό θα οδηγήσει απευθείας εκεί, αλλά ανοίγει ένα νέο παράθυρο στον κόσμο.

"Και μετά θα δούμε τι βλέπουμε."

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .