Гравитацията може да е най-познатата от четирите основни сили, но е и най-слабата. Точно тази слабост е пречка за изследването на присъщите свойства на гравитацията и по-специално да определят дали гравитацията е класическа или квантова по природа. Това определение се търси отдавна, защото би могло да помогне на физиците да съгласуват теорията за гравитацията с квантовите описания на другите фундаментални сили.

Сега може да сме с една стъпка по-близо до тази цел благодарение на радикално нова експериментална стратегия, публикувана в Physical Review X и разработена от изследователи от Амстердам и Улм.

Лудовико Лами (Ludovico Lami), математик и физик от Университета на Амстердам и QuSoft, и колегите му са проектирали нов подход, който заобикаля предизвикателствата, пред които са изправени предишните експериментални предложения.

Главоблъсканицата на квантовата гравитация

Стремежът към обединяване на квантовата механика и гравитационната физика е едно от най-значимите предизвикателства в съвременната наука. Напредъкът в тази област е възпрепятстван от невъзможността да се провеждат експерименти в режими, при които както квантовите, така и гравитационните ефекти да са достатъчно ясни.

"Централният въпрос, първоначално поставен от Ричард Фейнман през 1957 г., е да се разбере дали гравитационното поле на масивен обект може да влезе в така наречената квантова суперпозиция, където би било в няколко състояния едновременно", обяснява Лами.

"Преди нашата работа основната идея за експериментално решаване на този въпрос беше да се търси гравитационно индуцирано вплитане – начин, по който отдалечени, но свързани маси могат да споделят квантова информация. Съществуването на такова вплитане би фалшифицирало хипотезата, че гравитационното поле е чисто локално и класическо", продължава Лами.

Досега всички експериментални предложения за тестване на "квантовостта" на гравитацията разчитаха на създаването на квантовия феномен на вплитане между масивни макроскопични обекти. Но колкото по-масивен е един обект, толкова повече той е склонен да се отърве от квантовите си характеристики и да стане "класически", което прави невероятно трудно да се накара масивен обект да се държи като квантова частица.

"Основният проблем с тези предишни предложения е, че силно делокализираните състояния на масивните обекти са много трудни за създаване", казва Лами. "Освен това вплитането е невероятно крехко и е трудно за откриване."

Класическа или квантова?

Успешното съчетаване на квантовата механика и гравитационната физика е едно от основните предизвикателства на съвременната наука. Най-общо казано, напредъкът в тази област е възпрепятстван от факта, че все още не може да се извършват експерименти в режими, при които както квантовите, така и гравитационните ефекти може да се случват.

На по-фундаментално ниво, както веднъж заявява лауреатът на Нобелова награда Роджър Пенроуз, ние дори не знаем дали една комбинирана теория на гравитацията и квантовата механика ще изисква "квантуване на гравитацията" или "гравитизация на квантовата механика". С други думи: дали гравитацията фундаментално е квантова сила и нейните свойства се определят в най-малките възможни мащаби или е "класическа" сила, за която е достатъчно широкомащабно геометрично описание? Или е нещо различно?

Различен подход

Основният проблем с предишните предложения е, че отдалечени, но свързани масивни обекти – известни като делокализирани състояния – са много трудни за създаване. Най-тежкият обект, за който е наблюдавана квантова делокализация до момента, е голяма молекула, много по-лека от най-малката маса на източника, чието гравитационно поле е открито, което е малко под 100 mg – повече от един милиард милиарда пъти по-тежко. Това отблъсква всякаква надежда за експериментална реализация десетилетия.

В новата работа Лами и колегите му от Амстердам и Улм (интересно, мястото, където е роден Айнщайн) представят възможен изход от тази задънена улица. Те предлагат експеримент, който би разкрил квантовостта на гравитацията, без да генерира никакво вплитане.

"Ние проектираме и изследваме клас експерименти, включващи система от масивни "хармонични осцилатори" – например торсионно махало, по същество като това, което Кавендиш използва в своя прочут експеримент от 1797 г. за измерване на силата на гравитационната сила. Ние установяваме математически строги граници на определени експериментални сигнали за квантовост, които локалната класическа гравитация не би трябвало да може да преодолее. Ние внимателно анализирахме експерименталните изисквания, необходими за прилагане на нашето предложение в реални експерименти, и открихме, че въпреки че все още е необходима известна степен на технологичен напредък, подобни експерименти наистина биха могли да бъдат постижими скоро", обяснява Лами.

Чертеж на торсионния баланс, използван от Хенри Кавендиш през 1797 г. за измерване на силата на гравитацията. Подобни "хармонични осцилатори" вече могат да се използват за разкриване на квантовата стойност на гравитацията. Кредит: University of Amsterdam

По-конкретно в своя подход изследователите разглеждат експеримент, включващ две торсионни махала - твърди тела, окачени на тел, които се въртят, докато жиците им се усукват. Тези тела са оформени като дъмбели, като всеки край тежи по-малко от грам и представлява една половина от оптична кухина - другата половина е фиксирано огледало. Тъй като махалата се колебаят, те променят размера и следователно резонансната дължина на вълната на всяка кухина. Тази промяна може да бъде открита чрез насочване на лазерна светлина към кухините и след това измерване на интензитета на получения модел на смущения.

Двете махала са свързани чрез взаимното си гравитационно привличане, като ги поставят близо едно до друго с успоредни ориентации на равновесие. За да се гарантира, че гравитацията е доминиращата сила между махалата, в средата е разположен щит, който потиска всякакви потенциални електромагнитни и оптични взаимодействия. Освен това разстоянието, разделящо махалата, е внимателно избрано, така че тяхното гравитационно привличане винаги да е много по-силно от ефекта на Казимир между тях и щита.

Лами и колегите му предполагат, че "квантовостта" на гравитацията може да бъде тествана чрез внимателно изследване на индуцираната от гравитацията динамика на квантова система от две осцилиращи махала (зелено). Махалата са разделени от електромагнитен и оптичен щит (лилаво). Техните трептения се наблюдават чрез излъчване на светлина (червено) от лазер (синьо) в оптични кухини — образувани от краищата на махалата и неподвижни огледала (оранжево) — и след това в детектори (сиво). Кредит: L. Lami et al. ; adapted by APS/R. Wilkinson

Използвайки връзката си с оптичните кухини, махалата първо се задвижват до основните си състояния, в които са в покой, и след това се поставят в произволно избрани кохерентни състояния, в които те трептят с добре дефинирана амплитуда. След това те са оставени да се еволюират под действието на гравитацията за определено време. Очакваните състояния на махалата в края на това време се изчисляват, като се приема, че гравитационното взаимодействие е квантово по природа. След това на махалата се дава малък тласък, който би върнал тези изчислени състояния обратно в основните състояния. Накрая, след прилагането на този тласък, махалата се проверяват, за да се види дали наистина са в основните си състояния. Тази процедура се повтаря много пъти и се определя вероятността за намиране на махалата в техните основни състояния след тези стъпки. Ако тази вероятност надвишава горна граница, изчислена за класическата гравитация, това показва, че гравитацията не е класическа.

Теория за силата на вплитането

Изненадващо, изследователите все още разчитат на математическия апарат на теорията на вплитането, за да анализират своя експеримент, въпреки липсата на физическо вплитане.

"Причината е, че въпреки че вплитането не съществува физически, то все още е там в духа на експеримента – в точен математически смисъл. Достатъчно е, че е могло да се генерира вплитане", пояснява Лами.

За да изчисли тази горна граница, Лами разказва, че неговият екип "е внесъл и усъвършенствал някои тежки математически апарати от теорията на квантовата информация" и по-специално "използва инструменти от теорията за манипулирането на вплитането". Ключово предположение зад това изчисление - което също е в основата на предишните, базирани на вплитане протоколи - е, че за класическата гравитация гравитационните взаимодействия между квантовите обекти могат да бъдат описани чрез последователност от локални квантови операции, подпомагани от класическа комуникация. Това предположение обаче е предмет на горещи дебати. Друг потенциален проблем с новото предложение е, че експериментът изисква продължителна кохерентност, торсионни махала, които губят малко енергия, докато осцилират, и ултрастудена среда.

Въпреки това изследователите се надяват, че тяхната работа ще отвори нов експериментален път в изследването на взаимодействието между гравитацията и квантовата физика.

Последствията от това изследване се простират далеч отвъд сферата на теоретичната физика, тъй като едно по-задълбочено разбиране на връзката между квантовата гравитация може да преобърне нашето възприятие за Вселената и нашето място в нея.

Справка: Testing the quantum nature of gravity without entanglement, Ludovico Lami, Julen S. Pedernales and Martin B. Plenio, Physical Review X, 2024; DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevX.14.021022

Източници:

Quantum Gravity Gets a New Test, Physics

Revealing the quantumness of gravity, University of Amsterdam

Още по темата

29/03/2024

Физика

Учени попадат на нещо, което се държи като гравитон, частицата на гравитацията

14/03/2024

Физика

Преосмислянето на пространство-времето може да позволи да премахнем тъмната материя

01/03/2024

Физика

Квантово ли е пространство-времето? Шест начина за разплитане на тъканта на Вселената

26/12/2023

Физика

Холограмата може да спаси физиката