Kuinka sovittaa yhteen modernin fysiikan kaksi ristiriitaista pylvästä: kvanttiteoria ja painovoima? Pitkäksi aikaa tutkijat uskoivat, että tiede tunnustaisi ennemmin tai myöhemmin tämän tai sen teorian hallitsevaksi, mutta todellisuus, kuten aina, osoittautui paljon mielenkiintoisemmaksi. Uuden tutkimuksen mukaan painovoima voi syntyä satunnaisista heilahteluista kvantitasolla.
Niistä kahdesta perusteoriasta, jotka selittävät ympärillämme olevan todellisuuden, kvantiteoria vetoaa aineen pienimpien hiukkasten vuorovaikutukseen, ja yleinen suhteellisuusteoria viittaa painovoimaan ja koko maailmankaikkeuden suurimpiin rakenteisiin. Einsteinin ajoista lähtien fyysikot ovat yrittäneet ylittää kuilun näiden opetusten välillä, mutta vaihtelevalla menestyksellä.
Yksi tapa sovittaa painovoima kvantimekaniikkaan oli osoittaa, että painovoima perustuu jakamattomiin ainehiukkasiin, kvantteihin. Tätä periaatetta voidaan verrata siihen, kuinka itse valokvantit, fotonit, edustavat sähkömagneettista aaltoa. Toistaiseksi tiedemiehillä ei ole ollut tarpeeksi tietoa tämän oletuksen tueksi, mutta Antoine Tilloy (Antoine Tilloy) Quantum Optics -instituutista. Max Planck Garchingissa, Saksassa, yritti kuvata painovoimaa kvantmekaniikan periaatteilla. Mutta kuinka hän teki sen?
Kvanttimaailma
Kvantiteoriassa hiukkasen tilaa kuvataan sen aaltofunktiolla. Sen avulla voit esimerkiksi laskea todennäköisyyden löytää hiukkanen toisessa pisteessä avaruudessa. Ennen itse mittausta on epäselvää paitsi missä partikkeli on, vaan myös siitä, onko sitä olemassa. Juuri mittaus tosiasiallisesti luo todellisuutta "tuhoamalla" aaltofunktion. Mutta kvantimekaniikka käsittelee harvoin mittausta, minkä vuoksi se on yksi fysiikan kiistanalaisimmista alueista. Muista Schrödingerin paradoksi: et voi ratkaista sitä ennen kuin olet ottanut mittauksen avaamalla laatikon ja selvittämällä onko kissa elossa vai ei.
Yksi ratkaisu näihin paradokseihin on ns GRW-malli, joka kehitettiin 1980-luvun lopulla. Tämä teoria sisältää sellaisen ilmiön kuin "soihdut" - kvanttijärjestelmien aaltofunktion spontaanit romahdukset. Sen soveltamisen tulos on täsmälleen sama kuin jos mittaukset olisi suoritettu ilman tarkkailijoita sellaisenaan. Tilloy muutti sitä osoittaakseen, kuinka sitä voidaan käyttää saavuttamaan painovoiman teoria. Salamansa, joka tuhoaa aaltofunktion ja pakottaa hiukkasen siten olemaan yhdessä paikassa, luo versiossaan myös gravitaatiokentän tällä hetkellä avaruus-ajassa. Mitä suurempi kvantijärjestelmä, sitä enemmän hiukkasia se sisältää ja mitä useammin leimahduksia esiintyy, jolloin syntyy vaihteleva painovoimakenttä.
Mielenkiintoisin on, että näiden heilahtelujen keskiarvo on hyvin gravitaatiokenttä, jota Newtonin painovoiman teoria kuvaa. Tätä lähestymistapaa painovoiman yhdistämiseen kvantimekaniikkaan kutsutaan kvasiklassiseksi: painovoima syntyy kvanttiprosesseista, mutta pysyy kuitenkin klassisena voimana. "Ei ole todellista syytä jättää huomiotta lähes klassista lähestymistapaa, jossa painovoima on perustavaa laatua", Tilloy sanoo.
Mainosvideo:
Painovoiman ilmiö
Klaus Hornberger Saksan Duisburg-Essenin yliopistosta, joka ei osallistunut teorian kehittämiseen, suhtautuu siihen suurella myötätunnolla. Tutkija huomauttaa kuitenkin, että ennen kuin tämä käsite muodostaa perustan yhtenäiselle teorialle, joka yhdistää ja selittää ympäröivän maailman kaikkien perustavanlaatuisten näkökohtien luonteen, on ratkaistava joukko ongelmia. Esimerkiksi Tilloyn mallia voidaan ehdottomasti käyttää Newtonin painovoiman aikaansaamiseen, mutta sen vastaavuus gravitaatioteoriaan on vielä varmistettava matematiikan avulla.
Tiedemies itse on kuitenkin samaa mieltä siitä, että hänen teoriansa tarvitsee todistepohjan. Hän esimerkiksi ennustaa, että painovoima käyttäytyy eri tavalla kyseisten esineiden mittakaavasta riippuen: atomien ja supermassiivisten mustien reikien säännöt voivat olla hyvin erilaisia. Olkoon niin, jos testit paljastavat, että Tillroyn malli todellakin kuvastaa todellisuutta ja painovoima todellakin on seuraus kvanttivaihteluista, niin tämän avulla fyysikot voivat ymmärtää ympärillämme olevan todellisuuden laadullisesti eri tasolla.
Vasily Makarov