Αυτό που χρειάζεται η κβαντική βαρύτητα είναι περισσότερα πειράματα

Στα μέσα της δεκαετίας του 1990 σπούδασα μαθηματικά. Δεν ήμουν πραγματικά σίγουρος για το τι ήθελα να κάνω στη ζωή μου, αλλά ένιωθα δέος από τη δύναμη των μαθηματικών να περιγράφουν τον φυσικό κόσμο. Μετά από μαθήματα διαφορικής γεωμετρίας και άλγεβρας Lie, παρακολούθησα μια σειρά σεμιναρίων που προσφέρθηκε από το τμήμα μαθηματικών σχετικά με το μεγαλύτερο πρόβλημα στη θεμελιώδη φυσική:πώς να κβαντιστεί η βαρύτητα και έτσι να φέρει όλες τις δυνάμεις της φύσης κάτω από μια θεωρητική ομπρέλα. Τα σεμινάρια επικεντρώθηκαν σε μια νέα προσέγγιση που πρωτοστάτησε ο Abhay Ashtekar στο Penn State University. Δεν ήταν έρευνα που είχα συναντήσει προηγουμένως και έβγαλα την εντύπωση ότι το πρόβλημα είχε λυθεί. η είδηση ​​απλώς δεν είχε ακόμη διαδοθεί.

Φαινόταν μια ξεκάθαρη νίκη για την καθαρή σκέψη. Η απαίτηση της μαθηματικής συνέπειας οδήγησε επίσης, για παράδειγμα, στην ανακάλυψη του μποζονίου Higgs. Χωρίς το Higgs, το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων θα έπαυε να λειτουργεί για σωματίδια που συγκρούονται σε ενέργειες άνω του 1 τεραηλεκτρονιοβολτ, πολύ εντός της εμβέλειας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων. Οι πιθανότητες δεν θα προστέθηκαν πλέον στο 100 τοις εκατό και θα έπαυαν να έχουν μαθηματικό νόημα. Κάτι καινούργιο έπρεπε λοιπόν να εμφανιστεί μόλις διασταυρωθεί αυτή η ενέργεια. Το Higgs ήταν η απλούστερη πιθανότητα που μπορούσαν να σκεφτούν οι φυσικοί—και, σίγουρα, το βρήκαν.

Στις δεκαετίες του ’20 και του ’30, η μαθηματική ασυνέπεια μεταξύ της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν και της αρχικής εκδοχής της κβαντικής μηχανικής οδήγησε στη δημιουργία της κβαντικής θεωρίας πεδίου, στην οποία αργότερα βασίστηκε το Καθιερωμένο Μοντέλο. Η μαθηματική ασυνέπεια μεταξύ της ειδικής σχετικότητας και της νευτώνειας βαρύτητας οδήγησε στη γενική θεωρία της σχετικότητας, την υπερσύγχρονη θεωρία της βαρύτητας. Τώρα οι φυσικοί έχουν μείνει με την ασυνέπεια μεταξύ του Καθιερωμένου Μοντέλου και της Γενικής Σχετικότητας. Φυσικά αναμένουμε την επίλυσή του, με τη μορφή μιας κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας, να είναι τόσο αποκαλυπτική όσο οι προηγούμενες περιπτώσεις.

Καθώς περνούσαν τα χρόνια, όμως, έμαθα για άλλους ερευνητές με άλλες μεθόδους που πίστευαν ότι και αυτοί ήταν κοντά στο να λύσουν το πρόβλημα. Θεωρία χορδών, κβαντική βαρύτητα βρόχου, αιτιατική δυναμική τριγωνοποίηση, ασυμπτωτικά ασφαλής βαρύτητα, αιτιακά σύνολα:Οι επαγγελματίες αυτών των ερευνητικών προγραμμάτων ήταν εξίσου πεπεισμένοι ότι μπορούσαν να αποκρυπτογραφήσουν τη φύση χρησιμοποιώντας τίποτα άλλο εκτός από τη δύναμη των μαθηματικών. Διέφεραν όχι επειδή κάποιοι είχαν κάνει λάθη στις μαθηματικές τους παραγώγους, αλλά επειδή είχαν ξεκινήσει από διαφορετικές υποθέσεις. Τα μαθηματικά είναι ένα εργαλείο για τη διεξαγωγή των αφαιρέσεων, αλλά κανένα μαθηματικό συμπέρασμα δεν είναι καλύτερο από τις υποθέσεις τους. Η λογική δεν αρκεί για να αποφασίσουμε ανάμεσα σε φυσικές θεωρίες. Ο μόνος τρόπος για να μάθετε ποια θεωρία περιγράφει τη φύση είναι η πειραματική δοκιμή.

Αλλά εκείνοι που εργάζονται σε διαφορετικές προσεγγίσεις σπάνια μιλούσαν μεταξύ τους. και, αν το έκαναν, δεν συμφώνησαν ποτέ. Και γιατί να το κάνουν; Ελλείψει πειραματικών στοιχείων, δεν έχουν λόγο να συμφωνήσουν. Έτσι, τα μαθηματικά έχουν συσσωρευτεί, δεκάδες χιλιάδες άρθρα έχουν γραφτεί, εκατοντάδες συνέδρια έχουν πραγματοποιηθεί. Αλλά καμία προσέγγιση δεν έχει δώσει μια ξεκάθαρη λύση. Καθώς οι δεκαετίες περνούσαν χωρίς επιτυχία, η αμφιβολία άρχισε να επισκιάζει την αναζήτηση της κβαντικής βαρύτητας.

Παραδόξως, στη δεκαετία του '90, σχεδόν κανείς δεν εργαζόταν καν στο πώς να βρει παρατηρητικές αποδείξεις για την κβαντική βαρύτητα. θεωρήθηκε ότι ήταν αδύνατο. Τα αποτελέσματα της κβαντικής βαρύτητας είναι εξαιρετικά αδύναμα. Οι φυσικοί έχουν υπολογίσει την πιθανότητα ανίχνευσης των υποτιθέμενων σωματιδίων της βαρύτητας - τα βαριτόνια - και διαπίστωσαν ότι, ακόμη και με ανιχνευτές μεγέθους του Δία που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι νετρονίων, οι πιθανότητες θα ήταν μικρές.

Είναι όμως η απευθείας ανίχνευση γκραβιτόνων ο μόνος τρόπος για να βρούμε στοιχεία για την κβαντική βαρύτητα; Ήταν μια ερώτηση που δεν με άφηνε να φύγω. Στα τέλη της δεκαετίας του ’90, είχα περάσει στο να σπουδάσω φυσική. Οι περισσότεροι φυσικοί που εργάζονται στην κβαντική βαρύτητα εξακολουθούν να πιστεύουν ότι τα μαθηματικά τους θα δείξουν τελικά το δρόμο. Δεν έχω αυτή την εμπιστοσύνη. Αλλά δεν έχω επίσης αυτή την απαισιοδοξία ότι η κβαντική βαρύτητα είναι πειραματικά απρόσιτη. Αντίθετα, ελπίζω προσεκτικά ότι στη διάρκεια της ζωής μου θα καταφέρουμε να αποδείξουμε πειραματικά ότι η βαρύτητα είναι κβαντισμένη.

Όσοι από εμάς ψάχνουμε για πειραματικά στοιχεία κβαντικής βαρύτητας σήμερα αντιμετωπίζουμε ένα μοναδικό ερευνητικό πρόβλημα:Δεν έχουμε ούτε θεωρία ούτε δεδομένα! Αλλά ακόμη και αν δεν υπάρχει μια γενικά αποδεκτή θεωρία της κβαντικής βαρύτητας, μπορούμε να διερευνήσουμε τις γενικές ιδιότητες που αναμένονται από την κβαντική βαρύτητα, αυτές που έχουν βρεθεί σε διάφορες υποψήφιες θεωρίες.

Για παράδειγμα, ορισμένες θεωρίες προτείνουν ότι ο χωροχρόνος είναι διακριτός. Αν ναι, μπορεί να έχει ελαττώματα, όπως οι κρύσταλλοι έχουν ελαττώματα, τα οποία θα μπορούσαν να χτυπήσουν το φως από την πορεία του και να θολώσουν τις εικόνες μακρινών κβάζαρ. Ορισμένες θεωρίες προτείνουν ότι ο χωροχρόνος είναι ένα είδος υποστρώματος ή ρευστού, οπότε ακόμη και ένα κενό θα μπορούσε να έχει ιδιότητες υλικού όπως ιξώδες (σέρνεται πάνω του, όπως το μέλι) ή διασπορά (που προκαλεί τον διαχωρισμό των χρωμάτων του φωτός). Ορισμένες θεωρίες προβλέπουν την παραβίαση των συμμετριών που τηρούνται στη γενική σχετικότητα. άλλοι, ότι οι κβαντικές διακυμάνσεις του χωροχρόνου θα μπορούσαν να διαταράξουν τα ευαίσθητα κβαντικά συστήματα. Μπορούμε να τα αναζητήσουμε όλα αυτά.

Ξέρετε ήδη ότι δεν έχουμε βρει τίποτα ακόμα - διαφορετικά θα το είχατε ακούσει. Αλλά ακόμη και τα μηδενικά αποτελέσματα είναι πολύτιμοι οδηγοί για την ανάπτυξη της θεωρίας. Μας διδάσκουν ότι ορισμένες ιδέες - για παράδειγμα, ότι ο χωροχρόνος μπορεί να είναι ένα κανονικό πλέγμα - είναι απλώς ασυμβίβαστες με τις παρατηρήσεις.

Φυσικά, θα ήταν πιο συναρπαστικό να έχουμε ένα πραγματικό σήμα. Τα τελευταία χρόνια, μπορέσαμε να εντοπίσουμε πολλές νέες ευκαιρίες για να φτάσουμε σε αυτόν τον στόχο. Πάρτε αρχέγονα βαρυτικά κύματα. Αυτές οι μικρές διακυμάνσεις του χωροχρόνου στο πρώιμο σύμπαν θα έπρεπε να έχουν αφήσει ένα ξεχωριστό αποτύπωμα στην κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου μικροκυμάτων. Το 2014 η συνεργασία του BICEP2 ισχυρίστηκε ότι μέτρησε αυτό το αποτύπωμα, και παρόλο που ο ισχυρισμός αποδείχθηκε λανθασμένος, αυτό δεν σημαίνει ότι τα κύματα δεν είναι εκεί έξω. Σημαίνει απλώς ότι θα κάνουν περισσότερη προσπάθεια για να βρουν. Και αν τα ανιχνεύσουμε, θα πρέπει να έχουν κβαντικές ιδιότητες που θα καθοδηγούν τη δημιουργία μοντέλων μας. Ο Lawrence Krauss από το State University της Αριζόνα και ο Frank Wilczek του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης υποστήριξαν ότι η ανίχνευση αρχέγονων βαρυτικών κυμάτων θα αποδείκνυε ότι η βαρύτητα πρέπει να κβαντιστεί. Το επιχείρημά τους είναι υπερβολικά απλοϊκό, αλλά οι Vincent Vennin και Eugenio Bianchi έχουν ξεκινήσει ανεξάρτητα να βρουν μια ανάλυση για δεδομένα μικροκυματικού υποβάθρου που θα μπορούσαν να διακρίνουν τις κβαντικές διακυμάνσεις από τις μη κβαντικές διακυμάνσεις.

Στη συνέχεια, υπάρχουν μαύρες τρύπες. Η φυσική των μαύρων τρυπών είναι ένα σημαντικό ερευνητικό θέμα στην κβαντική βαρύτητα. Για πολύ καιρό, η συναίνεση ήταν ότι τα κβαντικά-βαρυτικά φαινόμενα θα ήταν σχετικά μόνο κοντά στο κέντρο της μαύρης τρύπας, κρυμμένα πίσω από τον ορίζοντα που σηματοδοτεί το όριο της τρύπας, και ως εκ τούτου μη μετρήσιμα από το εξωτερικό. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, αυτή η συναίνεση έχει κλονιστεί. Για παράδειγμα, ένα θεωρητικό επιχείρημα προτείνει ότι οι μαύρες τρύπες περιβάλλονται από ένα «τείχος προστασίας» - μια υλική επιφάνεια που θα καταστρέψει την ύλη που πέφτει. Αν και εγώ και άλλοι αμφισβητήσαμε αυτό το επιχείρημα, δεν είναι ο μόνος λόγος να πιστεύουμε ότι τα κβαντικά βαρυτικά φαινόμενα ενδέχεται να εμφανιστούν στον ορίζοντα.

Εάν το κάνουν, τότε η παρατήρηση των μαύρων τρυπών θα μπορούσε να αποκαλύψει πληροφορίες για την κβαντική βαρύτητα. Ο Michael Kavic από το Πανεπιστήμιο του Λονγκ Άιλαντ πρότεινε την αναζήτηση δυαδικών συστημάτων που αποτελούνται από ένα αστέρι νετρονίων σε τροχιά γύρω από μια μαύρη τρύπα. Το αστέρι νετρονίων εκπέμπει ραδιοκύματα και αν η δέσμη του χαράξει τον ορίζοντα της μαύρης τρύπας, οι παλμοί που παρατηρούμε θα επηρεαστούν από τη δομή της τρύπας. Σε μια άλλη προσέγγιση, ο Niayesh Afshordi από το Perimeter Institute μελετά τα βαρυτικά κύματα που παράγονται από τις συγχωνεύσεις μαύρων οπών. Τα κβαντικά εφέ μπορεί να εμφανιστούν καθώς η πρόσφατα συγχωνευμένη μαύρη τρύπα κατακάθεται στο τελικό της σχήμα.

Αλλά η πιο πολλά υποσχόμενη ιδέα από όλες προήλθε από μια εντελώς απροσδόκητη κατεύθυνση. Εάν το βαρυτικό πεδίο μπορεί να κβαντιστεί, θα πρέπει να παρουσιάζει χαρακτηριστικές κβαντικές συμπεριφορές όπως η υπέρθεση, στην οποία ένα σύστημα βρίσκεται σε διαφορετικές καταστάσεις ταυτόχρονα.

Πάρτε το κύριο παράδειγμα της κβαντικής συμπεριφοράς:το πείραμα της διπλής σχισμής. Εάν πυροδοτήσετε μια δέσμη ηλεκτρονίων σε μια οθόνη στην οποία έχουν κοπεί δύο σχισμές, τα ηλεκτρόνια θα σχηματίσουν ένα διακριτικό κυματικό σχέδιο. Για να δημιουργηθεί αυτό το μοτίβο, κάθε ηλεκτρόνιο πρέπει να περάσει και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα - αυτές οι δύο διαδρομές υπερτίθενται. Αλλά το ηλεκτρόνιο έχει μια μάζα, η οποία επηρεάζει το βαρυτικό πεδίο. Εάν το ηλεκτρόνιο βρίσκεται σε κβαντική υπέρθεση, τότε και το πεδίο του θα πρέπει να βρίσκεται σε κβαντική υπέρθεση. Αυτή είναι μια βαθιά περίεργη ιδέα. Αν συνέβαινε το ίδιο σε ολόκληρη τη Γη, ένα μήλο που έπεφτε από ένα δέντρο θα αντιμετώπιζε δύο διαφορετικά βαρυτικά πεδία και θα έπεφτε σε δύο διαφορετικές κατευθύνσεις ταυτόχρονα. Αυτό σηματοδοτεί την ασυμβατότητα της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας. μια υπέρθεση του πεδίου θα ήταν εγγενώς κβαντική βαρυτική.

Μέχρι στιγμής, κανείς δεν έχει δει τέτοιο φαινόμενο, επειδή το βαρυτικό πεδίο ενός μόνο ηλεκτρονίου είναι πολύ αδύναμο για να μετρηθεί. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, διάφορες πειραματικές ομάδες έχουν δημιουργήσει υπερθέσεις πολύ πιο ογκωδών αντικειμένων. Η τρέχουσα κατάσταση της τέχνης είναι περίπου ένα νανογραμμάριο. Ο Markus Aspelmeyer και η ομάδα του στη Βιέννη έχουν ξεκινήσει ένα φιλόδοξο έργο για να μετρήσουν τη βαρυτική έλξη μαζών τόσο μικρής όσο ένα χιλιοστόγραμμα. Δεν είναι τόσο μακριά η μέρα που θα μπορέσουμε να μετρήσουμε το βαρυτικό πεδίο των κβαντικών αντικειμένων.

Ακολουθώντας μια παρόμοια προσέγγιση, ο Mauro Paternostro στο Queen's University Belfast και οι συνεργάτες του προσπαθούν να εντοπίσουν ποιες ακριβώς υπογραφές θα ξεχώριζαν ένα κβαντισμένο πεδίο βαρύτητας από ένα μη κβαντισμένο. Η προσέγγισή τους επικεντρώνεται σε μια ουσιαστικά κβαντική ιδιότητα, τη διαπλοκή, στην οποία συσχετίζονται οι ιδιότητες διαφορετικών αντικειμένων. Εξετάστε δύο αντικείμενα που αλληλεπιδρούν βαρυτικά. Οι συσχετίσεις μεταξύ τους θα εξαρτηθούν από το αν το πεδίο είναι ή όχι κβαντισμένο. Μετρήστε αυτούς τους συσχετισμούς, έτσι η ιδέα πηγαίνει και θα μπορείτε να πείτε κάτι για την κβαντοποίηση του πεδίου.

Το ότι η επιστήμη απαιτεί εμπειρική επικύρωση είναι παλιά είδηση, αλλά το όνειρο πολλών αρχαίων φιλοσόφων ότι η ενδοσκόπηση αρκεί για να ξετυλίξει τα μυστήρια της φύσης, δυστυχώς έχει επιβιώσει μεταξύ των θεωρητικών που εργάζονται για την κβαντική βαρύτητα. Στο τέλος, η νοητική γυμναστική, όσο εκλεπτυσμένη κι αν είναι, πάντα καταλήγει σε αισθητικές ή φιλοσοφικές προτιμήσεις στην επιλογή των υποθέσεων. Μεγάλο μέρος της βιβλιογραφίας για την κβαντική βαρύτητα είναι αφιερωμένο στο να θάβουμε αυτές τις προτιμήσεις κάτω από σωρούς μαθηματικών.

Είκοσι χρόνια αφότου άκουσα για πρώτη φορά για την κβαντική βαρύτητα, το πεδίο εξακολουθεί να κυριαρχείται από εκείνους που βασίζονται στη μαθηματική συνέπεια. Αλλά αυτοί που, όπως εγώ, μελετούν τη δυνατότητα πειραματικού ελέγχου της κβαντικής βαρύτητας έχουν γίνει πιο πολλοί. Και όσο πιο εμφανής είναι η αποτυχία της μαθηματικής μεθόδου, τόσο πιο ξεκάθαρο γίνεται ότι ο μόνος δρόμος προς τα εμπρός είναι να αναζητήσουμε πειραματικά στοιχεία, όσο δύσκολο κι αν είναι αυτό. Το πρώτο βήμα θα ήταν απλώς να δείξουμε ότι η βαρύτητα είναι κβαντισμένη. Τότε θα μπορούσαμε να αρχίσουμε να διερευνούμε όλο το φάσμα των βαρυτικών φαινομένων. Με αυτόν τον τρόπο, θα προωθούσαμε την κβαντική βαρύτητα από τα μαθηματικά στη φυσική.

Και αυτό που γίνεται φυσική μπορεί να γίνει μηχανική. Σε αντίθεση με πολλούς από τους συναδέλφους μου, νομίζω ότι η κατανόηση του τρόπου κβαντισμού της βαρύτητας θα είναι πρακτική χρήση. Μια τέτοια θεωρία θα ενισχύσει την κατανόησή μας όχι μόνο του χώρου και του χρόνου, αλλά και των κβαντικών συστημάτων γενικότερα. Θα είναι ένα μακρύ ταξίδι. Στη συνέχεια, όμως, μας πήρε 2.000 χρόνια από τα τέσσερα στοιχεία του Αριστοτέλη μέχρι τις τέσσερις σημερινές δυνάμεις. Είμαστε σε αυτό για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Η Sabine Hossenfelder είναι ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών της Φρανκφούρτης. Δημοσιεύει blog στο backreaction.blogspot.com και κάνει tweet ως @skdh

Αναφορές

1. Rothman, T. &Boughn, S., Μπορούν να ανιχνευθούν τα γκραβιτόνια; Θεμέλια της Φυσικής 36 , 1801-1825 (2006).

2. Krauss, L. &Wilczek, F., Χρησιμοποιώντας την κοσμολογία για να καθορίσουμε την κβαντοποίηση της βαρύτητας. Φυσική ανασκόπηση Δ 89 , 047501 (2014).

3. Martin, J. &Vennin, V. Κβαντική διχόνοια του κοσμικού πληθωρισμού:Μπορούμε να δείξουμε ότι οι ανισοτροπίες cmb είναι κβαντομηχανικής προέλευσης; Φυσική ανασκόπηση Δ 93 , 023505 (2016).

4. Bianchi, E., Hackl, L., &Yokomizo, N. Ο χρόνος εμπλοκής στο αρχέγονο σύμπαν. International Journal of Modern Physics D 24 , 1544006 (2015).

5. Hossenfelder, S. Αποσύνδεση του κενού της μαύρης τρύπας. Φυσική ανασκόπηση Δ 91 , 044015 (2015).

6. Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., &Simonetti, J.H., Shining light on quantum gravity with pulsar-black hole δυαδικά. arXiv:1607.00018 (2016).

7. Abedi, J., Dykaar, H., &Afshordi, N. Echoes from the Abyss:Evidence for Planck-scale structure at the black hole horizons. arXiv:1612.00266 (2016).

8. Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., &Aspelmeyer, M. Ένα μικρομηχανικό πείραμα απόδειξης της αρχής για τη μέτρηση της βαρυτικής δύναμης μαζών χιλιοστού του γραμμαρίου. Κλασική και κβαντική βαρύτητα 33 , 125031 (2016).

9. Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. Revealing non-classicality of unmeasured objects. arXiv:1607.01140 (2016).