Meil on põhjust arvata, et gravitatsioon on oma olemuselt kvantteooria. Kuid kuidas saaksime seda ükskord ja lõplikult tõestada? Sellest räägib dr Sabina Nossenfelder, teoreetiline füüsik, kvantgravitatsiooni ja suure energiaga füüsika ekspert. Esimesest inimesest kaugemal.
Hea silmanägemise korral on väikseimad objektid, mida te näete, umbes kümnendik millimeetrit: umbes juustest laius. Lisage tehnoloogia ja väikseim struktuur, mida seni oleme suutnud mõõta, oli umbes 10–19 meetrit, mis on LHC-ga põrkuvate prootonite lainepikkus. Kõige primitiivsemast mikroskoobist kuni LHC ehitamiseni kulus meil 400 aastat - paranemine 15 suurusjärku nelja sajandi jooksul.
Arvatakse, et gravitatsiooni kvantmõjud on olulised umbes 10-35 meetri pikkuste vahemaade korral, mida nimetatakse Plancki pikkuseks. See on veel 16 suurusjärku rada või veel üks tegur 1016 kokkupõrke energia osas. See paneb mõtlema, kas see on üldse võimalik või jäävad kõik jõupingutused gravitatsiooni kvantteooria leidmiseks igaveseks väljamõeldiseks.
Olen optimist. Teadusajalugu on täis inimesi, kes arvasid, et palju on võimatu, kuid tegelikkuses osutus see vastupidiseks: mõõdeti valguse läbipainet päikese gravitatsiooniväljas, õhust raskemad masinad, tuvastati gravitatsioonilisi laineid. Seetõttu ei pea ma kvantgravitatsiooni katsetamist võimatuks. See võib võtta kümneid või sadu aastaid - kuid kui me liigume edasi, võime ehk ühel päeval mõõta kvantgravitatsiooni mõjusid. Mitte tingimata järgmise 16 suurusjärgu otsese jõudmise kaudu, vaid pigem kaudse tuvastamisega madalamate energiate korral.
Kuid millestki ei sünni midagi. Kui me ei mõtle sellele, kuidas kvantgravitatsiooni mõjud võivad avalduda ja kus need võivad ilmneda, siis ei leia me neid kunagi. Minu optimismi toidab kasvav huvi kvantgravitatsiooni fenomenoloogia vastu - uurimisvaldkond, mis on pühendatud uurimisele, kuidas kvantgravitatsiooni mõju avaldumisi kõige paremini otsida.
Kuna kvantgravitatsiooni suhtes pole leiutatud ühtlast järjepidevat teooriat, keskenduvad praegused vaatletavate nähtuste leidmise katsed teooria üldiste tunnuste testimise võimaluste otsimisele, otsides omadusi, mida on leitud mõnes erinevas kvantgravitatsiooni lähenemisviisis. Näiteks ruumaja kvantitatiivsed kõikumised või "minimaalse pikkuse" olemasolu, mis tähistab eraldusvõime põhipiiri. Selliseid mõjusid saab kindlaks määrata matemaatiliste mudelite abil ja seejärel saaks hinnata nende võimalike mõjude tugevust ja mõista, millised katsed võivad anda parimaid tulemusi.
Kvantgravitatsiooni testimist on juba pikka aega peetud eksperimentide käeulatusest välja, hinnangute põhjal on vaja prootonite kiirendamiseks piisavat Linnutee suurust põrkerauda, et tekitada mõõdetav kogus gravitone (gravitatsioonivälja kvantid), või gravitatsioonide mõõtmiseks vajame Jupiteri suurust detektorit. mis sünnivad kõikjal. Pole võimatu, kuid kindlasti mitte midagi, mida lähiajal oodata võiks.
Reklaamvideo:
Sellised argumendid puudutavad aga ainult gravitonide otsest tuvastamist ja see pole kvantgravitatsiooni mõju ainus ilming. Kvantgravitatsioon võib esile kutsuda veel palju muid tagajärgi, millest mõnda oleme juba otsinud ja mõnda plaanime otsida. Siiani on meie tulemused puhtalt negatiivsed. Kuid isegi negatiivsed on väärtuslikud, sest need ütlevad meile, millised omadused teoorial meil ei pruugi olla.
Üks kvantgravitatsiooni kontrollitav tagajärg võib olla näiteks sümmeetria purunemine, mis on põhiline eri- ja üldrelatiivsusteguritele, mida tuntakse Lorentzi invariatsioonina. Huvitav on see, et Lorentzi invariantsuse rikkumised ei ole tingimata väikesed, isegi kui need on loodud vaatlemiseks liiga väikeste vahemaade tagant. Sümmeetria purustamine seevastu imbub uskumatult täpselt läbi paljude osakeste reageerimise olemasolevate energiaallikate juures. Lorentzi püsivuse rikkumiste kohta pole veel mingeid tõendeid leitud. See võib tunduda hõre, kuid teades, et seda sümmeetriat tuleb kvantgravitatsiooni suhtes kõige täpsemini jälgida, saate seda teooria väljatöötamisel kasutada.
Muud kontrollitavad tagajärjed võivad olla kvantgravitatsiooni nõrgas väljal. Varases universumis peaksid ruumiaja kvantitatiivsed kõikumised tingima aines esinevad temperatuurikõikumised. Neid temperatuurikõikumisi täheldatakse tänapäeval, jäädes taustkiirgusse (CMB). "Primaarsete gravitatsiooniliste lainete" jäljendit kosmilisel mikrolaine taustal ei ole veel mõõdetud (LIGO pole selle jaoks piisavalt tundlik), kuid eeldatakse, et see jääb praeguse mõõtmistäpsuse täpsusega vahemikku 1 kuni 2 suurusjärku. Selle signaali otsimiseks töötavad paljud eksperimentaalsed koostööprojektid, sealhulgas BICEP, POLARBEAR ja Plancki vaatluskeskus.
Veel üks viis kvantgravitatsiooni nõrga välja piiride testimiseks on proovida kvantüleste superpositsioonidega tutvustada suuri objekte: elemente, mis on elementaarsetest osakestest palju raskemad. See muudab gravitatsioonivälja tugevamaks ja võib potentsiaalselt testida selle kvantkäitumist. Kõige raskemad objektid, mis meil seni õnnestunud superpositsiooniga siduda, kaaluvad umbes nanogrammi, mis on mitu suurusjärku vähem kui gravitatsioonivälja mõõtmiseks kulub. Kuid hiljuti pakkus rühm teadlasi Viinis eksperimentaalskeemi, mis võimaldaks meil gravitatsioonivälja mõõta senisest palju täpsemini. Läheneme tasapisi kvantgravitatsiooni vahemikule.
(Pidage meeles, et see mõiste erineb astrofüüsikas, kus "tugevat gravitatsiooni" kasutatakse mõnikord millelegi muule viitamiseks, näiteks suured kõrvalekalded Newtoni gravitatsioonist, mida võib leida musta augu sündmuste horisondi lähedal.)
Kvantgravitatsiooni tugevad mõjud võivad CMB-sse (reliktiline kiirgus) jätta jälje (va nõrga välja mõju), eriti korrelatsioonide tüübi osas, mida võib leida kõikumiste vahel. On erinevaid stringi- ja kvantsilmkosmoloogia mudeleid, mis uurivad jälgitavaid tagajärgi, ja kavandatud eksperimente nagu EUCLID, PRISM ja seejärel võib WFIRST leida varasemaid märke.
On veel üks huvitav idee, mis põhineb hiljutisel teoreetilisel avastusel, mille kohaselt ei pruugi mateeria gravitatsiooniline kokkuvarisemine alati musta auku moodustada - kogu süsteem väldib horisondi moodustumist. Kui jah, annab järelejäänud objekt meile kvantgravitatsiooniliste efektidega piirkonna ülevaate. Pole siiski selge, milliseid signaale peaksime sellise objekti leidmiseks otsima, kuid see on paljutõotav otsingusuund.
Ideid on palju. Suur mudeliklass tegeleb võimalusega, et kvantgravitatsioonilised efektid annavad kosmoseaja keskkonnale omadustega. See võib põhjustada valguse hajumist, kahanemist, kokkusobivust või tühja ruumi läbipaistmatust. Kõigist ei saa korraga rääkida. Kuid kahtlemata on veel palju ära teha. Tõendite otsimine selle kohta, et gravitatsioon on tõepoolest kvantjõud, on juba alanud.
ILYA KHEL
