Meillä on kaikki syyt uskoa, että painovoima on luonnostaan kvanttiteoria. Mutta kuinka voimme todistaa tämän lopullisesti? Dr. Sabina Nossenfelder, teoreettinen fyysikko, kvanttivoiman ja korkean energian fysiikan asiantuntija, puhuu tästä. Edelleen ensimmäisestä henkilöstä.
Jos sinulla on hyvä näkö, pienimmät nähtävissä olevat esineet ovat noin millimetrin kymmenesosa: noin hiuksen leveys. Lisää tekniikka, ja pienin rakenne, jonka tähän mennessä olemme pystyneet mittaamaan, oli noin 10-19 metriä, mikä on LHC: n törmäävien protonien aallonpituus. Alkuperäisimmästä mikroskoopista LHC: n rakentamiseen kului 400 vuotta - parannus 15 suuruusluokkaa neljällä vuosisadalla.
Painovoiman kvanttivaikutusten arvioidaan olevan merkityksellisiä noin 10-35 metrin etäisyysasteikolla, joka tunnetaan nimellä Planckin pituus. Tämä on toinen 16 suuruusluokan polku tai toinen kerroin 1016 törmäysenergian suhteen. Tämä saa sinut ihmettelemään, onko tämä lainkaan mahdollista, vai pitävätkö kaikki pyrkimykset löytää painovoiman kvantiteoria pysyvästi tyhjäkäynnillä.
Olen optimistinen. Tieteen historia on täynnä ihmisiä, jotka ajattelivat, että paljon oli mahdotonta, mutta itse asiassa se osoittautui päinvastaiseksi: mittaa valon taipumaa Auringon painovoimakentässä, ilmaa raskaammat koneet, havaitsi gravitaatioaallot. Siksi en mielestäni mahdotonta testata kvanttipainoa. Se voi viedä kymmeniä tai satoja vuosia - mutta jos jatkamme liikkumista, voisimme jonain päivänä mitata kvanttigravitaation vaikutukset. Ei välttämättä saavuttamalla suoraan seuraavia 16 suuruusluokkaa, vaan epäsuorasti havaitsemalla alemmilla energioilla.
Mutta tyhjästä, mitään ei synty. Jos emme ajattele kuinka kvanttigravitaation vaikutukset voivat ilmetä ja missä ne saattavat ilmetä, emme todellakaan koskaan löydä niitä. Optimismiini tukee kasvava kiinnostus kvanttigravitaation fenomenologiaan, tutkimusalueelle, joka on omistettu tutkimukselle siitä, kuinka kvanttigravitaation vaikutuksia voidaan parhaiten etsiä.
Koska yhtäkään yhdenmukaista teoriaa ei ole keksitty kvanttigravitaatiolle, nykyiset pyrkimykset löytää havaittavissa olevia ilmiöitä keskittyvät etsimään tapoja testata teorian yleisiä piirteitä etsimällä ominaisuuksia, jotka on löydetty joihinkin erilaisiin lähestymistapoihin kvanttigravitaatiolle. Esimerkiksi kvantitatiiviset avaruusajan vaihtelut tai "minimipituuden" esiintyminen, joka merkitsee resoluution perusrajaa. Tällaiset vaikutukset voitiin määrittää matemaattisilla malleilla, ja sitten näiden mahdollisten vaikutusten vahvuus voitiin arvioida ja ymmärtää, mitkä kokeet voisivat antaa parhaat tulokset.
Kvanttigravitaation testaamista on jo pitkään pidetty kokeiden ulottumattomissa. Arvioiden perusteella arvioitaessa tarvitaan prototyyppien kiihdyttämiseksi Linnunradan koon kokoista kolariin, jotta saadaan aikaan mitattavissa oleva määrä gravitoneja (gravitaatiokentän kvantit), tai gravitonien mittaamiseen tarvitaan Jupiterin kokoinen detektori. jotka syntyvät kaikkialla. Ei mahdotonta, mutta ei todellakaan sellaista, jota pitäisi odottaa lähitulevaisuudessa.
Mainosvideo:
Tällaiset väitteet koskevat kuitenkin vain gravitonien suoraa havaitsemista, ja tämä ei ole ainoa kvanttigravitaation vaikutusten osoitus. On monia muita havaittavissa olevia seurauksia, joita kvanttigravitaatio voi aiheuttaa, joista osa olemme jo etsineet ja osa aiomme etsiä. Toistaiseksi tuloksemme ovat puhtaasti negatiivisia. Mutta jopa negatiiviset ovat arvokkaita, koska ne kertovat meille, mitä ominaisuuksia teorialla meillä ei ehkä ole.
Yksi esimerkiksi kvanttigravitaation todistettavissa oleva seuraus voi olla symmetrian murtuminen, joka on perusta erityiselle ja yleiselle suhteellisuudelle, joka tunnetaan Lorentzin invarianssina. Mielenkiintoista on se, että Lorentzin invarianssin rikkomukset eivät ole välttämättä pieniä, vaikka ne syntyisivätkin etäisyyksiltä, jotka ovat liian pieniä havaittaviksi. Toisaalta symmetrian murtuminen imee monien hiukkasten reaktiot käytettävissä olevissa energioissa uskomattoman tarkasti. Lorentzin invarianssirikkomuksista ei ole vielä löydetty todisteita. Se voi tuntua vähän, mutta tietäen, että tätä symmetriaa on noudatettava mahdollisimman tarkasti kvanttigravitaatiossa, voit käyttää tätä teorian kehittämiseen.
Muut testattavat seuraukset saattavat olla kvanttigravitaation heikossa kentässä. Varhaisessa maailmankaikkeudessa kvantitatiivisten avaruus-ajanvaihtelujen olisi pitänyt johtaa aineen lämpötilanvaihteluihin. Näitä lämpötilanvaihteluita havaitaan tänään, ja ne jäävät jälkeiseen taustavaloon (CMB). "Primaaristen gravitaatioaaltojen" leimautumista kosmisessa mikroaaltotaustassa ei ole vielä mitattu (LIGO ei ole siihen riittävän herkkä), mutta sen odotetaan olevan yhden tai kahden suuruusluokkaa nykyisen mittaustarkkuuden välillä. Monet kokeelliset yhteistyöt työskentelevät tämän signaalin etsimiseksi, mukaan lukien BICEP, POLARBEAR ja Planckin observatorio.
Toinen tapa testata heikko kvanttivoimakentän raja on yrittää viedä suuret esineet kvantti superpositiota: esineet, jotka ovat paljon raskaampia kuin alkuainehiukkaset. Tämä tekee gravitaatiokentästä vahvemman ja mahdollisesti testaa sen kvantti käyttäytymisen. Raskaimmat esineet, jotka olemme tähän mennessä onnistuneet sitomaan superpositioon, painavat noin nanogrammaa, mikä on useita kertaluokkaa pienempi kuin gravitaatiokentän mittaaminen vie. Mutta äskettäin ryhmä Wienin tutkijoita ehdotti kokeellista järjestelmää, jonka avulla voimme mitata painovoimakentän paljon tarkemmin kuin ennen. Lähestymme hitaasti kvanttipainoaluetta.
(Muista, että tämä termi eroaa astrofysiikassa, jossa "voimakkaalla painovoimalla" käytetään joskus viitaamaan johonkin muuhun, kuten suuriin poikkeamiin Newtonin painovoimasta, jotka löytyvät lähellä mustan aukon tapahtumahorisonttia.)
Kvanttigravitaation voimakkaat vaikutukset voivat myös jättää jäljennöksen (muut kuin heikot kenttävaikutukset) CMB: hen (reliktisäteily), etenkin korrelaatioiden tyypissä, joka vaihteluiden välillä voidaan löytää. On olemassa erilaisia merkkijonokosmologian ja kvanttisilmukkosmologian malleja, jotka tutkivat havaittavissa olevia seurauksia, ja ehdotettuja kokeita, kuten EUCLID, PRISM, ja sitten WFIRST voi löytää varhaisia merkkejä.
On olemassa toinenkin mielenkiintoinen ajatus, joka perustuu äskettäiseen teoreettiseen havaintoon, jonka mukaan aineen painovoimainen romahtaminen ei aina pysty muodostamaan mustaa reikää - koko järjestelmä välttää horisontin muodostumisen. Jos näin on, jäljelle jäävä objekti antaa meille kuvan alueesta, jolla on kvanttigravitaatiovaikutukset. Ei kuitenkaan ole selvää, mitä signaaleja meidän pitäisi etsiä löytääkseen tällainen esine, mutta tämä on lupaava hakusuunta.
Ideoita on paljon. Suuri luokka malleja käsittelee mahdollisuutta, että kvanttigravitaatiovaikutukset antavat avaruuden ajalle väliaineen ominaisuudet. Tämä voi johtaa valon hajoamiseen, kahtaistaittumiseen, epäjohdonmukaisuuteen tai tyhjän tilan opasiteettiin. Et voi kertoa kaikesta kerralla. Mutta epäilemättä on vielä paljon tehtävää. Todisteiden etsiminen siitä, että painovoima on todellakin kvanttivoima, on jo aloitettu.
ILYA KHEL