Гравитацията, силата, която държи краката ни на земята и планетите в орбита, е неразделна част от нашето ежедневие. Въпреки повсеместното си разпространение, истинската природа на гравитацията остава загадка. Учените все още се борят с въпроса дали гравитацията е фундаментално геометричен феномен, както е предложено от Айнщайн, или се управлява от законите на квантовата механика.
В проучване, публикувано в Physical Review X , изследователи от Амстердам и Улм предложиха иновативен експеримент, който може да хвърли светлина върху този вековен въпрос.
Лудовико Лами, математически физик от Университета на Амстердам и QuSoft , и колегите му са проектирали нов подход, който заобикаля предизвикателствата, пред които са изправени предишните експериментални предложения.
Квантово-гравитационна главоблъсканица
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 са от значение.
Както веднъж каза носителят на Нобелова награда Роджър Пенроуз , ние дори не знаем дали една комбинирана теория на гравитацията и квантовата механика ще изисква „квантуване на гравитацията“ или „гранитизиране на квантовата механика“.
„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 заплитане – начин, по който отдалечени, но свързани маси могат да споделят квантова информация . Съществуването на такова преплитане би фалшифицирало хипотезата, че гравитационното поле е чисто локално и класическо“, продължи той.
Преодоляване на дилемата за делокализация
Основната пречка в предишните експериментални предложения е създаването на отдалечени, но свързани масивни обекти, известни като делокализирани състояния.
Най-тежкият обект, за който е наблюдавана квантова делокализация до момента, е голяма молекула, която е значително по-лека от най-малката маса на източника, чието гравитационно поле е открито. Това несъответствие тласна надеждата за експериментална реализация десетилетия в бъдещето, пише meteobalkans.com.
Проектиране на нов експеримент за преодоляване на шансовете
Лами и колегите му предложиха потенциално решение на тази безизходица. Техният експеримент има за цел да разкрие квантовостта на гравитацията, без да генерира никакво заплитане.
„Нашият екип проектира и изследва клас експерименти, включващи система от масивни „хармонични осцилатори“ – например торсионно махало, по същество подобно на това, което Кавендиш използва в своя прочут експеримент от 1797 г. за измерване на силата на гравитационната сила“, обяснява Лами.
„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", допълва ученият.
Теория за силата на заплитането
Изненадващо, изследователите все още разчитат на математическата машина на теорията на заплитането в квантовата информационна наука, за да анализират своя експеримент, въпреки липсата на физическо заплитане.
Лами пояснява: „Причината е, че въпреки че заплитането не съществува физически, то все още е там в духа – в точен математически смисъл. Достатъчно е, че е могло да се генерира заплитане".
Нова ера на изследване на квантовата гравитация
В обобщение, изследването на Лами и колегите му от Амстердам и Улм отваря нова глава в стремежа да се разкрие квантовата природа на гравитацията.
Тяхното новаторско експериментално предложение, което разчита на математическата рамка на теорията на заплитането, без да изисква физическо заплитане, ни доближава до отговора на фундаменталния въпрос, поставен от Ричард Файнман преди повече от шест десетилетия.
Тъй като технологичният прогрес продължава да напредва, реализацията на този експеримент става все по-осъществима, обещавайки да хвърли светлина върху една от най-дълбоките мистерии в съвременната 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 революционизира нашето възприятие за Вселената и нашето място в нея.
Пълното изследване е публикувано в списанието Physical Review X.