Сега, след като детектора LIGO откри първия, втория и третия си сигнал от гравитационна вълна, тази част от теорията на Айнщайн, която прогнозира, че в тъканта на самото пространство трябва да има вълни, е потвърдена. Това води до най-различни интересни въпроси, включително и този:
Очаква ли се гравитационните вълни да демонстрират двойнствената природа на вълна-частица и дали физиците от експеримента LIGO вече замислят начин да тестват това като експеримента с двойния процеп?
Ето какво отговори астрофизикът Итън Сийгъл (Ethan Siegel) на страницата на Forbes.
Двойнствеността вълна-частица е една от най-странните последици от квантовата механика, която някога сме откривали.
Изображение: Wikimedia Commons / Sakurambo, въз основа на работата на Томас Янг, представена на Кралското общество през 1803 г.
Всичко започва достатъчно просто: материя е направена от частици, неща като атоми и техните съставни части, а излъчванията са направени от вълни. Може да се каже, че едно нещо е частица, ако то прави неща като да се сблъсква, отскача или слепва с други частици, да обменя енергия с тях, да се свързва и т.н. А вълната се определя по дифракцията и интерференцията със самата себе си.
Нютон е смятал погрешно, че светлината се състои от частици, но други като Хюйгенс (неговия съвременник) и учените след началото на XIX век като Йънг и Френел показаха категорично, че светлината показва свойства, които не могат да бъдат обяснени, ако не се разглежда като вълна. Най-очевидното от тях е преминаването през двоен процеп - картината на фона на екрана показва, че светлината интерферира конструктивно (което води до ярките петна) и деструктивно (което води до тъмните петна).
Изображение: Wikimedia Commons/Dr. Tonomura and Belsazar. Забележете как интерференчната картина става все по-видима с достатъчно частици, въпреки че са минали през двойния процеп една по една.
Такова взаимодействие еднозначно характеризира обекта като вълна и така експериментът "доказва", че светлината е вълна. Но става още по-объркващо в началото на XX век с откриването на фотоелектричния ефект. Когато се пусне светлина върху определен материал, от време на време светлината ще "избива" електрони. Ако се направи светлината по-червена (да се понижи енергията) - дори и ако се направи светлината по-интензивна - светлината няма да избива електрони. Но ако направим светлината по-синя (с по-висока енергия), дори силно да се смъкне интензивността й, пак ще избива електрони. Скоро след това се оказа, че светлината се квантува на фотони и че отделните фотони ще се държат като частици, избивайки електрони, ако при правилната енергия.
Изображение: Wikimedia Commons. Имайте предвид, че при енергии под определен праг, не се наблюдава йонизация, но над този праг, се случва йонизация с по-големи фотонни енергии, водещи до по-големи електронни скорости.
През XX век се появиха още по-странни резултати::
• Отделни фотони, преминавайки през един от двата процепа един по един се интерферират сами със себе си и създават картина, съответстваща на вълна.
• Електроните, известни като частици, също показват интерференция и дифракция.
• Ако се измери през кой прорез преминава фотонът или електронът, не се получава интерфренична картина, но ако не се измерва, се получава.
Изглежда, че всяка частица, която някога сме наблюдавали, може да бъде описана едновременно като вълна и частица. Нещо повече, квантова физика ни учи, че трябва задължително да разглеждаме частиците едновременно като вълна и частица, иначе няма да получим съгласуващи се с експериментите резултати.
Изображение: B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), чрез PRL 116, 061 102 (2016 г.).
Стигаме до гравитационните вълни. Те са нещо уникално, защото сме наблюдавали само вълновата им проява, но никога не сме наблюдавали да се държат като частици. Но също както водните вълни се състоят от частици, ние очакваме, че гравитационните вълни също ще са направени от частици. Тези частици вместо водни молекули, трябва да бъдат гравитони, частицата, която предава силата на гравитацията и се очаква да се прояви като следствие на това, че гравитацията по своята природа е също квантово взаимодействие.
Изображение: Dave Whyte of Bees & Bombs.
Тъй като това е вълна, съдейки по наблюденията, която се държи точно както предсказва Общата теория на относителността, включително по време на фазите inspiral, merger и ringdown, спокойно можем да заключим, че тя ще продължи да се държи като всички вълнови неща, които теорията на относителността прогнозира.
Изображение: ParticleBites
В детайли те са малко по-различни в сравнение с другите вълни, с които сме свикнали: те не са скаларни вълни като водните вълни, нито са векторни вълни като светлината, която има във фаза осцилиращи електрически и магнитни полета. Вместо това, те са тензорни вълни, заставящи пространството да се свива и разширява в перпендикулярни направления, когато вълната преминава през този район.
Тези вълни правят много от същите неща, които бихме очаквали от една вълна, в това число, те се разпространяват с определена скорост през среда (със скоростта на светлината през самата тъкан на пространството), интерферират с други вълни в пространството както конструктивно, така и деструктивно, тези вълни "се носят" на върха на всякаква друга кривина на пространство-времето, която вече съществува, и ако има някакъв начин да се накарат тези вълни да изпитат дифракция - може би при преминаване през силно гравитационно поле на източник като черна дупка - те ще направят точно това. Освен това, тъй като Вселената се разширява, ние знаем, че тези вълни ще правят това, което правят всички вълни в разширяващата се Вселена - да се разтягат и разширяват заедно с фоновото пространство на Вселената.
Изображение: E. Siegel, from his book, Beyond The Galaxy
Така че истинският въпрос е как да се провери тяхната квантовата част? Как да потърсим корпускулярната природа на гравитационната вълна? На теория гравитационната вълна е подобна на анимацията по-горе, която показва ясно как се образува вълна от много движещи се по кръг частици - тези частици ще бъдат гравитони и цялостната видима вълна е това, което открива LIGO. Има всички основания да се очаква, че имаме гравитони, които:
• имат спин 2,
• нямат маса,
• разпространяват се със скоростта на светлината,
• и се взаимодействат чрез гравитация.
Ограниченията, получени от LIGO за масата на гравитона са изключително добри - ако гравитонът има маса, то тя е по-малка от 1,6 х 10-22 eV/c2 или ~ 1028 пъти по-лек от електрона. Но докато не се намери начин да се провери квантовата гравитация с помощта на гравитационните вълни, няма да знаем дали гравитационните вълни имат характер и на "частица" или демонстрират ли гравитоните корпускулярно-вълнов дуализъм.
Една гравитационна вълна потенциално би трябвало да се състои от огромен брой гравитони, но измерването на отделните й компоненти е изключително трудно и далеч отвъд нашите експериментални възможности. LIGO не може да различи единични гравитони по същата причина, по която телевизионната антена не различава единичните фотони. При сигнал детекторът е залят с частици и не е чувствителен към малките, дискретни стъпки енергия. Ако съществуват гравитони, LIGO не може ги разпознае, той не може да различи огромното количество гравитони в една некватувана гравитационна вълна. Ето защо LIGO не може да не ни каже нищо за съществуването на гравитоните.
За това всъщност има няколко възможности, въпреки че LIGO е малко вероятно да успее. Виждате ли, квантово-гравитационните ефекти най-силно се проявяват там, където има силни гравитационни полета на много малки разстояния. Едва ли има по-добър случай да се вникне в това, отколкото сливането на черни дупки. При сливането на две сингулярности тези квантови ефекти - които трябва да са отклонения от Общата теория на относителността - ще се показват в момента на сливането, малко преди и малко след това. Реално погледнато ние не търсим времеви отрязъци от порядъка на пикосекунди, а не на милисекунди или микросекунди, за които е чувствителен LIGO, но това може да не е невъзможно.
По принцип разработени са лазерни импулси, които работят по скалата на фемтосекунди и даже атосекунди (10-15 сек - 10-18 сек), така че потенциално е възможно да се организира чувствителност, която да проследи малки отклонения от Теорията на относителността, ако могат да се пуснат наведнъж достатъчно интерферометри. Това изисква огромен скок в областта на технологиите, включително и голям брой интерферометри и значително намаляване на шума и увеличаване на чувствителността. Но това не е технически невъзможно - това е просто технологично трудно.
Ако успеем да проверим корпускулярната природа на гравитона, това ще завърши нашата представа за дуализма вълна-частица в тази Вселена. Ние очакваме това да е истина, но не знаем със сигурност. Надяваме, че нашето любопитство ще ни накара да инвестираме в изясняването на този въпрос, че природата ще разкрие тайната си и в края на краищата ще разберем.
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари