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

Ваня Милева Последна промяна на 01 март 2024 в 00:00 6436 0

Как можем да разплетем тъканта на Вселената?

Кредит Илюстрация, създадена с помощта на DALL·E 3 от НаукаOFFNews

Как можем да разплетем тъканта на Вселената?

Един от най-големите въпроси във физиката е дали пространство-времето е класическо или квантово по природа. Тези експерименти - от бавни неутрино до квантова пяна - се надяват най-накрая да отговорят на този въпрос.

Ако може да изпразним Вселената, какво щеше да остане?

Основната структура на космоса се нарича пространство-време и често се оприличава на тъкан. 

Няма обаче консенсус сред учените какво всъщност представлява тази тъкан.

В класическата физика, а именно в Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, тъканта на пространство-времето не съществува сама по себе си. Вместо това пространство-времето е преплетено и оформено от масата и енергията, което поражда гравитацията. Най-важното е, че уравненията на Айнщайн са непрекъснати, така че според класическия възглед тъканта трябва да е гладка.

Но днес повечето физици смятат, че пространство-времето трябва да се подчинява на правилата на квантовата механика, които управляват поведението на субатомните частици и полета. В такъв случай то се състои от дискретни части, от "пиксели" или кванти, или с други думи пространство-времето трябва да се квантува. Това би означавало, че макар пространство-времето да изглежда като гладък фон, на който се разиграва всичко във Вселената, ако може да се приближим достатъчно, ще видим, че всъщност то е изградено от нещо, точно както всичко останало.

Проблемът е, че все още нямаме доказателства, че пространство-времето е квантувано. Трудно е да се докаже по един или друг начин, защото това, което бихте могли да си представим като "пиксели" на пространство-времето - неговите най-фундаментални компоненти - би било толкова нищожно малко, че прякото им наблюдение би било невъзможно.

Остават ни косвени наблюдения. Добрата новина е, че физиците са разработили редица находчиви експерименти, които биха могли окончателно да решат въпроса от какво е изградено пространство-времето, ако изобщо има такова, веднъж завинаги.

Бавни неутрино

Когато през юни Джовани Амелино-Камелия (Giovanni Amelino-Camelia) и неговите сътрудници публикуват предварителни резултати, подсказващи за квантуването на пространство-времето, не очакват бурна реакция. Твърденията им обаче направо разтърсват физическата общност.

"Или не разбраха, или не прочетоха статията", разказва Амелино-Камелия, физик от Неаполитанския университет "Федерико II" в Италия.

Това, което те представят, са подробности за техните измервания на фундаментални частици, наречени неутрино, които имат маса, но почти не взаимодействат с друга материя, често произхождащи от далечни галактики. В класическо, неквантувано пространство-време неутриното би трябвало да се движи със скорост, близка до тази на светлината. Но някои квантови теории за пространство-времето предвиждат, че то създава незначително съпротивление, което забавя неутриното в зависимост от неговата енергия.

Амелино-Камелия оприличава ефекта на стъклена призма, която забавя различни честоти на светлината с различна скорост, за да ги раздели в дъга. Само че съпротивлението на пространство-времето е много по-незабележимо, така че неутриното трябва да премине огромни разстояния, за да се наблюдава ефектът.

"За щастие Вселената е достатъчно голяма", отбелязва Амелино-Камелия.

Разглеждайки неутрино, засечено от неутринната обсерватория IceCube, разположена в Антарктида, Амелино-Камелия и колегите му анализират посоката на около 8000 от най-енергийните частици, за да открият няколко, които изглежда водят до общ произход. Идеята бе, че ако тези неутрино са пристигнали по различно време, те трябва да са били забавени с различни стойности. Те са направили точно това - така че, по подразбиране, видяхме доказателство за квантувано пространство-време.

Поне такова е твърдението. Критиците обаче са недоволни от малкото данни, които са били използвани, за да се посочи този общ произход, и от това, че не е показана възможността за грешки в измерванията. Но Амелино-Камелия твърди, че разликата във времето между всяко откриване на неутрино и съответната експлозия е толкова добре известна, че границите на грешките са твърде малки, за да бъдат показани. Все пак той казва, че са необходими повече данни. "Ако заключенията ни не отслабнат с получаването на повече данни, ще бъдем големи късметлии", заявява той. "И ще имаме за какво да говорим."

Прочетете повече: "Квантовата гравитация може да е в състояние да забави неутрино"

В мащаби, сравними с размерите на дължината на Планк (10-33 см), вакуумните флуктуации са толкова огромни, че пространството "кипи" и се превръща в "квантова пяна" (Quantum Foam). В този сценарий пространството изглежда напълно гладко за мащаби от 10-12 см, а грапавостта започва да се появява в мащаби от 10-30 см .  Това по същество е израз на принципа на неопределеността в квантовата механика.

Квантова пяна

"Ако трябва да приближа пространството и времето, те ще представляват бъркотия от флуктуации", обяснява Катрин Зурек (Kathryn Zurek), физик от Калифорнийския технологичен институт в Пасадена. "Когато погледнете на много по-големи разстояния, тези флуктуации се усредняват, така че онова, което виждаме, е гладко."

Работата на Зурек се фокусира върху тези малки, хипотетични флуктуации в пространство-времето, които биха били резултат от предполагаеми частици на гравитацията, известни като гравитони, които се появяват и изчезват, както правят много известни частици. Тя го нарича квантова пяна и се интересува дали при определени сценарии е възможно да се видят признаци за нейното съществуване.

Тя смята, че бихме могли, стига да живеем в холографска вселена. Грубо казано, холографският принцип гласи, че макар нашето възприятие да е триизмерно, може да се каже, че всичко в космоса се появява от двуизмерна повърхност. През май 2022 г. Зурек доказва, че ако това е вярно за нашата вселена, флуктуациите на квантовата пяна могат да бъдат усилени до степен, в която стават измерими.

На тази основа тя предлага експеримент. Той започва с интерферометър - устройство, използващо лазерна светлина, разделена между два пътя, които в крайна сметка се пресичат отново, разкривайки интерференчни модели. В предлагания от Зурек подход светлината би могла да подтикне гравитоните, които могат да се разглеждат и като пространствено-времеви пиксели, да се движат заедно, сякаш са един цялостен, флуктуиращ облак. Тя нарича този огромен облак "пикселон" и казва, че той би могъл да променя траекториите на светлината около него, създавайки подпис в интерферометъра.

Зурек предупреждава, че подобен експеримент вероятно е далеч. От една страна, тя все още се опитва да се увери, че прогнозите ѝ не противоречат на познатата физика.

"Теорията на гравитацията е изключително деликатно нещо", отбелязва Зурек.

И второ, най-чувствителният интерферометър, с който разполагаме в момента, Лазерната интерферометърна гравитационно-вълнова обсерватория (LIGO) - първият, който открива пулсации в пространство-времето, наречени гравитационни вълни - може да не е достатъчно чувствителен, за да открие ефектите на квантовата пяна. "Той не е проектиран за такъв вид измервания", уточнява Зурек.

Но дори ако нейният експеримент бъде проведен в LIGO и не се открие нищо, тя вече е започнала работа с експериментатори за проектиране на по-чувствителен интерферометър, който би могъл да го направи.

Прочетете повече: "Пикселирано ли е пространството? В търсене на квантовата гравитация"

Претегляне на протони

Частиците светлина, или фотоните, са безмасови, така че обикновено не смятаме, че гравитацията им влияе. Трябва да помислим отново, смята Заин Мехди (Zain Mehdi) от Австралийския национален университет в Канбера. Айнщайн е доказал, че енергията и масата са еквивалентни, което означава, че високо енергийните фотони също излъчват слабо гравитационно поле, както би направила една маса. При достатъчно висока енергия на фотона това изкривява пространство-времето - ефект, който може да промени пътя на фотона по измерим начин.

През юни Мехди и неговите сътрудници прогнозираха, че като доведат фотоните до изключително висока енергия, те ще взаимодействат по различен начин с квантова и класическа гравитация.

"Средата на [квантуваното] пространство-време може да генерира странни ефекти", коментира Мехди.

В един от предложените експерименти, за да се използва тази разлика, светлинен лъч ще бъде разделен на две половини, на които ще бъде позволено да си взаимодействат. Когато двата разделени лъча се обединят отново, техните интерферентни модели ще покажат уникални признаци на квантова или класическа гравитация. Друга постановка ще търси по-фини статистически ефекти. Поради взаимодействията, които са уникални за квантовата гравитация, би могло да се случи рядко събитие: три фотона биха могли да анихилират, за да създадат един фотон с честота три пъти по-голяма от тази на оригиналите.

В един от предложените експерименти за изучаване на тази разлика светлинен лъч се разделя на две половини, на които се позволява да си взаимно се интерферират. Когато двата разделени лъча се съединят отново, техните интерферентни модели ще покажат уникални характеристики на квантовата или класическата гравитация. Друг метод ще търси по-фино статистическо въздействие. Поради взаимодействията, които са уникални за квантовата гравитация, би могло да се случи рядко събитие: три фотона биха могли да анихилират, за да създадат един фотон с честота три пъти по-голяма от тази на оригиналите.

Това изображение на галактиката Андромеда, или М31, включва данни от мисията Herschel на Европейската космическа агенция (ЕКА), допълнени с данни от излязлата от експлоатация обсерватория "Планк" на ЕКА и две излезли от употреба мисии на НАСА: Infrared Astronomical Satellite (IRAS) и Cosmic Background Explorer (COBE). Комбинирането на наблюденията на "Хершел" с данни от други обсерватории създава по-пълна картина на праха в галактиката. На изображението червеният цвят показва водороден газ, зеленият - студен прах, а по-топлият прах е показан в синьо. Изстрелян през 1983 г., IRAS е първият космически телескоп, който открива инфрачервена светлина, като създава предпоставки за бъдещи обсерватории като космическия телескоп "Спицър" на НАСА и космическия телескоп "Джеймс Уеб". Обсерваторията "Планк", изстреляна през 2009 г., и COBE, изстреляна през 1989 г., изследваха космическия микровълнов фон, или светлината, останала от Големия взрив. Червеното показва водороден газ, открит с помощта на телескопа Green Bank в Западна Вирджиния, радиотелескопа Westerbork Synthesis в Нидерландия и 30-метровия телескоп на Института за радиоастрономия в милиметровия диапазон в Испания.В центъра на черна дупка и относителността, и квантовата механика стават важни. Кредит: ESA/NASA/JPL-Caltech/GBT​/WSRT/IRAM/C. Clark (STScI)

И двата експеримента ще изискват мощни лазери и специални огледала. "Когато разказвам на експериментаторите за [възможните] резултати, виждам как очите им изскачат в добрия смисъл на думата", разказва Мехди. "Но след това им казвам, че трябва да подобрят мощността на лазера и ефективността на откриването, и тогава очите им изхвръкват лошо." Истината е, че експериментите на Мехди засега са извън нашите възможности. Въпреки това напредъкът в подобни експерименти, като детекторите на гравитационни вълни, означава, че технологията е осъществима.

Вплетени маси

Ако гравитацията е квантова сила, подобна на трите други фундаментални сили на природата, тя би трябвало да се държи по квантов начин. Един от начините да се провери това е да се разбере дали обектите с маса са обект на вплитане - квантово явление, при което свойствата на частиците са свързани по такъв начин, че измерването на свойствата на едната частица влияе на другата, дори когато те са разделени от огромни разстояния.

Дълго време подобен тест изглеждаше непосилен, главно защото всяко измерване, което се прави, би довело до колапс на квантовото състояние на масите, което прави наблюденията невъзможни. Но през 2017 г. Сугато Бозе (Sougato Bose) от Университетския колеж в Лондон и колегите му предлагат настолен експеримент, който би могъл да направи този трик.

Идеята е първо да се постави относително голяма маса с диаметър около хилядна част от милиметъра в квантова суперпозиция. Това е състояние, при което материята съществува в няколко състояния едновременно, докато не бъде измерена или наблюдавана, при което се казва, че тя "колапсира" в определено състояние. След това се внася втора маса, която също е в суперпозиция, и двете маси се оставят да паднат.

Ако гравитацията е квантова, може да се очаква, че гравитоните временно ще се материализират, за да вплетат двете маси.

"Ако двойките могат да се вплетат, тогава гравитацията трябва да е квантова по природа", посочва Бозе. "Така можем да потвърдим квантовата природа на гравитацията."

Ако тя е класическа, от друга страна, масите не биха могли да бъдат в гравитационна суперпозиция и не биха се появили гравитони, които да ги вплетат.

Това е изключително труден за провеждане експеримент, не на последно място защото квантовите състояния като суперпозиция и вплитане са толкова деликатни.

"Дори един-единствен атом от вакуума може да вкара в колапс квантовия процес", обяснява Бозе.

Но изследователите стават все по-добри в избягването на този вид колапс, те откриват все повече нови начини за внимателно манипулиране на наноскопични маси, така че Бозе е оптимист, че неговият експеримент ще бъде възможен през следващите пет до десет години.

Прочетете повече: "Нова теория обединява гравитацията на Айнщайн с квантовата механика"

Постквантова гравитация

Повечето физици не биха приели идеята, че истинската природа на пространство-времето е класическа.

Другите три фундаментални сили са квантови, така че защо не и гравитацията?

"Но ако се замислите, в това няма особен смисъл", коментира Джонатан Опенхайм (Jonathan Oppenheim), физик от Университетския колеж в Лондон. "Не успяхме да квантуваме гравитацията, въпреки усилията, полагани повече от век."

Вместо това Опенхайм изследва възможността гравитацията да не е квантова, поне не изцяло. Неговата идея е, че тя е някакъв хибрид, който той нарича "постквантова класическа гравитация". Това означава, че пространство-времето и гравитацията могат да бъдат класически, като в същото време са съвместими с всичко останало, което е квантово.

Много хора смятат, че не може да се комбинират квантова и класическа система. Но Опенхайм казва, че това е възможно с няколко промени в квантовата теория и Общата теория на относителността. За да се получи, взаимодействието между квантовите частици и класическата гравитационна сила трябва да бъде непредсказуемо.

Така че, въпреки че в някои случаи изглежда, че гравитацията е квантова, може да се окаже, че всяко видимо квантово поведение, което наблюдаваме в гравитационното поле - например суперпозиция - всъщност е резултат от неопределеността на позицията на квантовите частици в полето. В такъв случай измерванията на гравитационното поле няма да разкрият позицията на частицата.

Опенхайм предлага два начина за проверка на това, вдъхновени от известния експеримент на Хенри Кавендиш от 1797 г., който измерва малката гравитационна сила между две сфери. Актуализацията на Опенхайм, разбира се, изисква много по-голяма прецизност. И двете му предложения имат потенциала да подскажат, че става дума за постквантова класическа гравитация, или пък да я изключат, за да се предположи, че пространство-времето все пак е квантово.

Първият експеримент проверява модела на Лайош Диоси и Роджър Пенроуз за ролята, която класическата гравитация играе върху маса в квантова суперпозиция. Те предполагат, че за малки маси малки квантови флуктуации в гравитацията ще могат да бъдат открити над гравитационното поле. Но за голяма маса по-голямото гравитационно поле би предизвикало колапс на квантовата суперпозиция на масата. От друга страна, квантовата гравитация предсказва, че суперпозицията на масата трябва да се запази, а не да колапсира.

Вторият тест е подобен, но вместо това се търси преходната точка на преминаване на масата от квантово към класическо поведение. Например знаем, че фотоните могат да се държат като частици или вълни, но мънистата от огърлица, да речем, ще показват само класическо поведение. С други думи, те се държат само като частици. Въпросът е при коя маса настъпва този преход?

Детекторът Virgo (снимка от въздуха): Virgo става третият детектор, който регистрира гравитационни вълниДетектори на гравитационни вълни като Virgo (на снимката) могат да открият малки колебания на пространство-времето, ако те съществуват, в търсене на квантова гравитация. Кредит: Wikimedia Commons

Опенхайм е изчислил преходните точки за една постквантова класическа вселена и в момента води разговори с експериментатори. Но това не е лесно.

"Тъй като гравитацията е толкова слаба, измерванията ни за нея са много неточни", подчертава Опенхайм. "Тя може да се колебае силно и ние да не знаем."

Прочетете повече: "Нов ключ за загадката на времето на основата на математика отпреди 100 години"

Нелокални ефекти

През 1959 г. физиците Якир Ахаронов (Yakir Aharonov) и Дейвид Бом (David Bohm) предлагат, че класическите електромагнитни уравнения не дават пълната картина: трябва да се включат допълнителни квантови ефекти. Няколко години по-късно един експеримент потвърждава тяхното предсказание, установявайки, че електрически заредените частици претърпяват "сътресение" дори при липса на електромагнитно поле. Най-приетото обяснение е нещо, известно като нелокален квантов ефект.

Но може ли този ефект на Ахаронов-Бом да действа и за частици в гравитационни полета? Ако гравитацията е квантова, би трябвало - и това е възможно да се провери.

През януари 2022 г. Крис Овърстрийт (Chris Overstreet), понастоящем в Университета "Джон Хопкинс" в Мериленд, и неговите сътрудници публикуват резултати, основани на тази идея, които са може би най-близкото нещо, с което разполагаме, до подходящо доказателство за квантовата гравитация.

Техният експеримент с атомна интерферометрия започна с фонтан от свръхстудени атоми, които те разделят по две трасета. Единият път преминава покрай голяма маса, разположена по такъв начин, че тя не оказва нетно гравитационно въздействие върху атомите, тъй като нейната гравитация се анулира, оставяйки квантовата гравитация като единствен възможен източник на взаимодействие. Атомите по другия път се движат без никакво външно въздействие.

"Искахме да разберем дали атомите все пак могат да разграничават дали изходната маса присъства или не", разказва Овърстрийт.

Оказва се, че могат. И когато двата пътя са били рекомбинирани, шарките на интерференцията показват, че първата траектория на атомите се е изместила в сравнение с втората. Овърстрийт отбелязва, че дори след отчитане на всички възможни източници на грешка, ефектът все още остава съществен.

Въпреки че все още не могат да направят разлика между постквантова и квантова гравитация, изследователите твърдят, че квантовата версия дава по-пълно обяснение на тяхната демонстрация - което проправя пътя за бъдещи експерименти.

Сега Овърстрийт се надява да продължи да разширява експерименталните възможности във Фермилаб, близо до Чикаго, където в момента се изгражда 100-метров атомен интерферометър. Той ще действа като гигантски квантов сензор с достатъчна чувствителност, за да се търси гравитационно квантуване - както се досещате - след около пет до десет години.

Справка:

Amelino-Camelia, G., Di Luca, M.G., Gubitosi, G. et al. Could quantum gravity slow down neutrinos?. Nat Astron 7, 996–1001 (2023). https://doi.org/10.1038/s41550-023-01993-z 

Snowmass 2021 White Paper: Observational Signatures of Quantum Gravity
Kathryn M. Zurek; https://arxiv.org/abs/2205.01799 

Kovachy, T., Asenbaum, P., Overstreet, C. et al. Quantum superposition at the half-metre scale. Nature 528, 530–533 (2015). https://doi.org/10.1038/nature16155 

Източник: Is space-time quantum? Six ways to unpick the fabric of the universe, Lyndie Chiou, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !