Grawitacja kwantowa jest jedną z największych zagadek współczesnej fizyki. Grawitacja kwantowa to zbiór teorii, które mają na celu połączenie koncepcji fizyki kwantowej i grawitacji. Teoretyk Kathryn Zurek i eksperymentator Rana Adhikari współpracują z innymi osobami, aby stworzyć mały eksperyment, który mógłby potencjalnie wykryć sygnatury grawitacji kwantowej.

W ramach Conversations on the Quantum World, serii seminariów internetowych prowadzonych przez Caltech Science Exchange, profesor fizyki teoretycznej Kathryn Zurek i profesor fizyki Rana Adhikari rozmawiają o jednej z największych tajemnic współczesnej fizyki: grawitacji kwantowej.

Grawitacja kwantowa odnosi się do zestawu teorii próbujących zunifikować mikroskopijny świat fizyki kwantowej z makroskopowym światem grawitacji i samej przestrzeni. Żurek, teoretyk, i Adhikari, eksperymentator, połączyli siły z innymi, aby zaprojektować nowy eksperyment wielkości stołu, który może wykrywać sygnatury kwantowej grawitacji.

W rozmowie z pisarzem naukowym Caltech, Whitneyem Clavinem, naukowcy wyjaśniają, że na poziomie mikroskopowym lub kwantowym materia i energia składają się z dyskretnych składników; innymi słowy skwantyzowane. Wielu naukowców uważa, że ​​grawitacja jest również skwantowana: jeśli wystarczająco powiększysz samą przestrzeń, powinieneś zobaczyć dyskretne komponenty. Podczas tego webinaru Zurek i Adhikari omawiają, dlaczego pomiar grawitacji kwantowej jest tak trudny i jak planują szukać jej nieuchwytnych sygnatur.

Najciekawsze fragmenty rozmowy znajdują się poniżej.

Poniższe pytania i odpowiedzi zostały zredagowane pod kątem przejrzystości i długości.

Czy możesz zacząć od skierowania nas w świat fizyki kwantowej?

Kathryn Zurek: Czasami myślę o świecie kwantowym jako o malarstwie puentylizmu. Oczywiście, kiedy patrzysz na obraz z pewnej odległości, wygląda on jak zwykły obraz. Ale kiedy zaczynasz powiększać go w coraz mniejszych skalach, zaczynasz zauważać, że jest tam więcej struktury. I faktycznie, zamiast być obiektem ciągłym, zaczynasz zauważać, że tak naprawdę składa się z pojedynczych punktów. Gdy przybliżasz się coraz bardziej, możesz zobaczyć poszczególne punkty, kwanty, które składają się na ten obraz. I to właśnie robimy w fizyce cząstek elementarnych. Przyglądamy się coraz mniejszym strukturom, coraz mniejszym skalom.

Co to jest grawitacja kwantowa?

KZ: To, co robiliśmy przez ostatnie sto lat, to przybliżanie i przybliżanie coraz mniejszych struktur. Dzięki temu nauczyliśmy się wiele o podstawowych siłach natury: elektromagnetyzmie, siłach silnych i słabych itp. Rozumiemy te siły w języku mechaniki kwantowej. Jedynym naprawdę dużym elementem, który nie pasuje do tej układanki, jest grawitacja. Właściwie nie jest to zaskakujące, biorąc pod uwagę to, co wiemy o grawitacji. Spodziewamy się, że będziemy musieli powiększać obraz w coraz mniejszych skalach, aby móc zacząć dostrzegać kwantowe efekty grawitacji.

Rana Adhikari: Możesz pomyśleć o tym, jak rzeczy poruszają się w basenie. Makroskopowo patrzylibyśmy na zbiornik wodny, na którym znajdują się fale. Ale jeśli naprawdę chcesz wiedzieć, jak lepka jest woda lub jak gładka jest, musisz powiększyć i dowiedzieć się, co jest w wodzie. A wynika to z mechaniki kwantowej cząstek. Ale rybom to nie przeszkadza. Po prostu pływają i czują rzeczy takie jak lepkość i temperatura, i tak naprawdę nie muszą wiedzieć o mechanice kwantowej. A planety są takie w kosmosie. Nie muszą znać się na mechanice kwantowej. Po prostu czują grawitację i robią to, co do nich należy.

Kiedy weźmiesz proste mikroskopijne prawa i połączysz rzeczy razem, i masz naprawdę miliardy i biliony tych rzeczy, mają one właściwości, których być może nie spodziewałeś się na początku. Mam przeczucie, że grawitacja przychodzi w ten sam sposób.

Dlaczego naukowcy chcą ujednolicić fizykę kwantową z grawitacją?

RA: Chcę tylko wiedzieć, co się dzieje. Byłoby bardzo dziwne, gdyby wszystko na świecie było kwantowe, jak to możliwe, że mamy czasoprzestrzeń lub grawitację i to nie kwant? Byłoby niesamowite, gdybym mógł robić takie rzeczy, jak wywoływanie grawitacyjnych perturbacji tutaj moją ręką, a następnie w jakiś sposób przekazywać to Kathryn w całym kampusie poprzez grawitację, ale to nie jest jakiś kanał informacji kwantowej. To byłaby pierwsza rzecz we wszechświecie, która nie jest taka. Więc czuję, że to musi być kwantowe i chcę wiedzieć, jak to działa. To będzie niesamowite, jeśli kiedykolwiek dowiemy się, jak działa grawitacja kwantowa. I może nigdy nie użyjemy tego do czegoś praktycznego, ale to właśnie powiedzieli Faradaya o elektromagnetyzmie.

KZ: Mniej więcej sto lat temu mieliśmy ten piękny, jednolity obraz działania wszystkich sił klasycznych. A potem mieliśmy mechanikę kwantową i kwantową teorię pola, które teraz wyjaśniają wszystkie siły natury z wyjątkiem grawitacji. A jednak wiemy, że te rzeczy muszą ze sobą współpracować, muszą do siebie pasować. Więc jeśli jesteś fizykiem, zawsze próbujesz rozwiązać zagadkę: jak te rzeczy pasują do siebie? Jak współpracują? Jak zrobić spójny obraz, aby zrozumieć wszystkie siły natury razem? I istnieją bardzo głębokie, dobre powody, dla których oczekujemy, że w grawitacji powinny występować efekty kwantowe. Rozumiemy również, dlaczego tak trudno je zobaczyć.

Jak proponujesz znaleźć dowody grawitacji kwantowej?

KZ: Szukamy zmarszczek w tkaninie czasoprzestrzeni. Możesz myśleć o grawitacji i czasoprzestrzeni jako o tym rozciągliwym arkuszu. A klasyczna grawitacja ma miejsce, gdy kładziesz na niej masę i powoduje ona wygięcie arkusza. Ale generalnie przy grawitacji kwantowej spodziewamy się zmarszczek w tej tkaninie. I faktycznie, już to widzimy za pomocą zwykłych sił, za pomocą elektromagnetyzmu, że rzeczywiście istnieją fluktuacje w pustej przestrzeni. Pusta przestrzeń, próżnia, nie jest taka nudna.

Chcemy szukać fluktuacji czasoprzestrzeni wynikających z kwantowej natury grawitacji. Teraz, gdyby te efekty wystąpiły tylko w bardzo małych skalach, nigdy nie bylibyśmy w stanie ich zobaczyć. To, o czym myślałem przez ostatnie kilka lat, to czy istnieje realna możliwość, że te fluktuacje w strukturze czasoprzestrzeni są rzeczywiście większe, niż można by naiwnie oczekiwać. Tkanina czasoprzestrzeni jest jak staw, bardzo gładki staw wody. Szukamy na nim kropli. Te małe kropelki tworzą falujący wzór na wodzie. I szukamy interferencji między falami.

RA: Kathryn dała dobry opis wizualny; Podaję odpowiednik audio. Ludzie wykryli kosmiczne mikrofalowe tło dawno temu i jest to jak syk. Ale to pochodzi z dalekiej przestrzeni. Ten syk jest trochę inny. To bardziej przypomina syk, który jest nieodłącznym elementem samej czasoprzestrzeni. Jest to analogiczne do fluktuacji elektromagnetycznych, o których wspominała Kathryn. Jeśli spojrzysz w pustą przestrzeń, pole elektryczne ma fluktuacje, ma szum. A gdybyś mógł to zmierzyć, powiedziałoby ci to coś o polu elektromagnetycznym w kosmosie (co jest fajne i ludzie to zrobili). Chcielibyśmy zmierzyć coś takiego – ale fluktuacje grawitacyjne w przestrzeni, gdy nie ma dla nich źródeł, kiedy nie pochodzi z kosmosu, gwiazd ani niczego podobnego.

Jak będzie wyglądał eksperyment?

RA: Ten eksperyment ma dokładnie taki sam kształt i konfigurację jak LIGO, ale w skali kilku metrów. Laser wchodzi z jednej strony, światło biegnie w dwóch różnych kierunkach, a potem wraca i mierzymy, jak długo światło potrzebowało, by przejść w tę i tamtą stronę. Ale to jest następny krok: przygotować stany kwantowe, które są naprawdę niezwykłe i wykorzystać je do głębokiego kopania tego, co można zmierzyć na Ziemi. Myślę, że nikt nigdy nie próbował dokonać tak dokładnego pomiaru odległości. Jeśli to zadziała, będzie to najdokładniejszy pomiar odległości, jaki kiedykolwiek wykonano.

Gdzie będzie mieszkał eksperyment?

RA: Caltech buduje nowe centrum pomiarów precyzji kwantowej tutaj, na kampusie Caltech. I możesz zapytać, dlaczego robimy to tutaj? Mógłbyś to zrobić w dowolnym miejscu na świecie. Mamy tu wyjątkową okazję. Mamy tutaj Kathryn, która wie, jak ta czasoprzestrzeń powinna działać. W mojej grupie są osoby, które znają się na pomiarach małych przemieszczeń. A naszym celem jest wejście do wielkiej ligi w zakresie pomiarów kwantowych. A do tego potrzebni są ludzie zajmujący się teorią informacji kwantowej i pomiarów, a także inni ludzie, którzy zajmują się pomiarami tak jak my. W piwnicy tego nowego budynku będą nowe laboratoria Kipa Thorne’a, w których będziemy robić wszystkie nasze rzeczy i gdzie Kathryn będzie nas odwiedzać w laboratoriach.

Oto niektóre inne tematy poruszone w filmie, do którego link znajduje się powyżej:

• Codzienna praca teoretyka i eksperymentatora oraz ich współpraca
• Jak przyszłe komputery kwantowe mogą pomóc w badaniach grawitacji kwantowej
• Zasada holograficzna (jak trójwymiarowe obiekty można opisać na podstawie tego, co dzieje się na dwuwymiarowej powierzchni)
• Rola zasady nieoznaczoności w grawitacji kwantowej
• Pomiar splątania
• Czasoprzestrzeń wyłaniająca się z procesów kwantowych