Czy grawitacja jest ilością? Nowe doświadczenie pozwalające odkrywać głębiny wszechświata

• Naukowcy opracowują eksperyment mający sprawdzić, czy grawitacja jest kwantowa, czy nie
• W mechanice kwantowej, która opisuje zachowanie atomów i cząsteczek, rzeczy zachowują się inaczej niż wszystko, co znamy: mogą znajdować się w stanie superpozycji kwantowej, tak że znajdują się w dwóch miejscach jednocześnie.
• Teraz naukowcy szukają sposobu na sprawdzenie, czy grawitacja działa w ten sposób, poprzez lewitację maleńkich diamentów w próżnię
• Gdyby grawitacja była kwantowa, diamenty zostałyby „splątane” – ciekawe zjawisko, które silnie łączy dwa obiekty w sposób niemożliwy na co dzień
• Badania te pomogą zrozumieć czarne dziury wielka eksplozjaI wszechświat

Eksperyment z grawitacją kwantową

Naukowcy opracowują eksperyment mający sprawdzić, czy grawitacja jest kwantowa, co stanowi jedno z najgłębszych pytań dotyczących naszego wszechświata.

Ogólna teoria względności i mechanika kwantowa to nasze dwa podstawowe opisy natury. Ogólna teoria względności wyjaśnia grawitację w dużych skalach, podczas gdy mechanika kwantowa wyjaśnia zachowanie atomów i cząsteczek.

Wyzwanie ujednolicenia teorii

Prawdopodobnie najważniejszym nierozwiązanym problemem fizyki fundamentalnej jest właściwy sposób połączenia tych dwóch teorii – ustalenie, czy grawitacja działa na poziomie kwantowym. Chociaż prace teoretyczne sugerują wiele możliwości, potrzebne są eksperymenty, aby w pełni zrozumieć zachowanie grawitacji.

Wiązka laserowa w laboratorium Gavina Morleya bada właściwości kwantowe diamentów. Źródło: Gavin Morley

Rewolucyjne doświadczenie globalnego konsorcjum

Przez sto lat eksperymenty dotyczące kwantowej natury grawitacji wydawały się naciągane, ale teraz naukowcy z uniwersytetów w Warwick, University College London, Yale (USA), Northwestern (USA) i Groningen (Holandia) będą współpracować, aby przeanalizuj tę łamigłówkę. .

Ich nowy pomysł polega na uniesieniu dwóch maleńkich diamentów w próżnię i umieszczeniu ich w kwantowej superpozycji, czyli przebywaniu w dwóch miejscach w tym samym czasie. To sprzeczne z intuicją zachowanie jest podstawową cechą mechaniki kwantowej.

Wizja eksperymentu profesora Morleya

Każdy diament można uznać za mniejszą wersję kota Schrödingera. Główny badacz Profesor Gavin Morley, Wydział Fizyki, Uniwersytetu w WarwickWyjaśnia: „Kot Schrödingera to eksperyment myślowy, który sugeruje, że byłoby naprawdę dziwne, gdyby przedmioty codziennego użytku (i zwierzęta domowe!) znajdowały się w stanie superpozycji kwantowej, będąc w dwóch miejscach jednocześnie. Chcemy przetestować granice tego pomysł.”

„Udało nam się umieścić atomy i cząsteczki w tym stanie superpozycji, ale chcemy to zrobić w przypadku znacznie większych obiektów. Nasze diamenty składają się z miliarda lub więcej atomów. Aby przetestować kwantową naturę grawitacji, musimy szukać interakcji pomiędzy dwoma z tych diamentów pod wpływem grawitacji.”

„Gdyby grawitacja była kwantowa, byłaby w stanie splątać dwa diamenty. Splątanie to wyjątkowy efekt kwantowy, w którym dwie rzeczy są połączone ze sobą silniej, niż jest to możliwe w naszym codziennym życiu. Na przykład, gdyby można było splątać dwie monety, mogłoby się to okazać kiedy je odwrócisz, opadną w ten sam sposób, nawet jeśli nie można przewidzieć, czy wyjdą reszki czy reszki.

Wyzwania i konsekwencje

Realizacja tego pomysłu wiąże się jeszcze z wieloma wyzwaniami, które zespół zbada w trakcie projektu. „Na przykład musimy wyeliminować wszelkie interakcje między nanocząstkami inne niż grawitacyjne, co jest bardzo trudne, ponieważ grawitacja jest tak słaba” – mówi dr David Moore z Uniwersytet Yale.

Profesor Morley, założyciel i dyrektor Warwick Quantum, nowej multidyscyplinarnej inicjatywy badawczej w dziedzinie technologii kwantowej, dodał: „Dla mnie obecnie najważniejszym problemem w fizyce jest opracowanie eksperymentu, który może sprawdzić kwantową naturę grawitacji. Ten nowy projekt stanowi przyspieszenie naszej ekscytującej podróży w tym kierunku.

Perspektywy współpracujących naukowców

Profesor Sugato Bose z University College London skomentował: „Trudno przecenić, jak ważne dla fizyków jest przeprowadzanie eksperymentów, które mogą odkryć właściwy sposób połączenia mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności. Osoby pracujące nad teoriami grawitacji kwantowej, takie jak teorii strun, zwykle koncentrują się na tym, co dzieje się przy wysokich energiach, w pobliżu czarnych dziur i podczas Wielkiego Wybuchu.

„Dla kontrastu, nasza praca jest wykonywana tutaj, na Ziemi, w trybie niskoenergetycznym, ale dostarczy to również bezcennych informacji o… czy Grawitacja jest kwantowa. Eksperyment można również uznać za weryfikację ogólnych przewidywań dowolnej kwantowej teorii grawitacji przy niskich energiach.

Profesor Anupam Mazumdar z Uniwersytetu w Groningen dodaje: „W drodze do zrozumienia kwantowej natury grawitacji być może uda nam się przetestować inne aspekty fizyki podstawowej, takie jak egzotyczne odchylenia od grawitacji Newtona na krótkich dystansach”.

„To wymagający eksperyment, a projekt ten ma przełomowy charakter, jeśli chodzi o rozwiązanie niektórych kluczowych wyzwań technicznych niezbędnych do urzeczywistnienia testów kwantowych aspektów grawitacji” – mówi Andrew Geraci, profesor fizyki. Uniwersytet Północno-Zachodni.

Projekt nosi nazwę „MAST-QG: Makroskopowe superpozycje w kierunku obserwacji kwantowej natury grawitacji”.