Είναι η βαρύτητα ποσότητα; Μια νέα εμπειρία για να εξερευνήσετε τα βάθη του σύμπαντος

• Οι επιστήμονες αναπτύσσουν ένα πείραμα για να ελέγξουν αν η βαρύτητα είναι κβαντική ή όχι
• Στην κβαντομηχανική, η οποία περιγράφει τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων, τα αντικείμενα συμπεριφέρονται διαφορετικά από όλα όσα γνωρίζουμε: μπορεί να βρίσκονται σε μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης έτσι ώστε να βρίσκονται σε δύο σημεία ταυτόχρονα.
• Τώρα, οι επιστήμονες αναζητούν έναν τρόπο να προσδιορίσουν εάν η βαρύτητα λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο, αιωρώντας μικροσκοπικά διαμάντια στο κενό
• Αν η βαρύτητα ήταν κβαντική, τα διαμάντια θα «μπλέκονταν» – ένα ενδιαφέρον φαινόμενο που συνδέει ισχυρά δύο αντικείμενα με τρόπους που είναι αδύνατος στην καθημερινή ζωή
• Αυτή η έρευνα θα βοηθήσει στην κατανόηση των μαύρων τρυπών η μεγάλη έκρηξηΚαι το σύμπαν

Πείραμα κβαντικής βαρύτητας

Οι επιστήμονες αναπτύσσουν ένα πείραμα για να ελέγξουν αν η βαρύτητα είναι κβαντική, ένα από τα βαθύτερα ερωτήματα για το σύμπαν μας.

Η γενική σχετικότητα και η κβαντική μηχανική είναι οι δύο βασικές μας περιγραφές της φύσης. Η γενική σχετικότητα εξηγεί τη βαρύτητα σε μεγάλες κλίμακες ενώ η κβαντομηχανική εξηγεί τη συμπεριφορά των ατόμων και των μορίων.

Η πρόκληση της ενοποίησης των θεωριών

Αναμφισβήτητα το πιο σημαντικό άλυτο πρόβλημα στη θεμελιώδη φυσική είναι ο σωστός τρόπος συνδυασμού αυτών των δύο θεωριών – για να προσδιοριστεί εάν η βαρύτητα λειτουργεί σε κβαντικό επίπεδο. Ενώ η θεωρητική εργασία έχει προτείνει πολλές πιθανότητες, απαιτούνται πειράματα για την πλήρη κατανόηση της συμπεριφοράς της βαρύτητας.

Μια δέσμη λέιζερ στο εργαστήριο του Gavin Morley εξερευνά τις κβαντικές ιδιότητες των διαμαντιών. Πραγματοποίηση: Gavin Morley

Μια επαναστατική εμπειρία από την παγκόσμια κοινοπραξία

Για εκατό χρόνια, τα πειράματα για την κβαντική φύση της βαρύτητας έμοιαζαν τραβηγμένα, αλλά τώρα οι επιστήμονες που εδρεύουν στα Πανεπιστήμια του Warwick, University College London, Yale (ΗΠΑ), Northwestern (ΗΠΑ) και Groningen (Ολλανδία) θα συνεργαστούν για να ερευνήστε αυτό το παζλ. .

Η νέα τους ιδέα είναι να σηκώσουν δύο μικροσκοπικά διαμάντια στο κενό και να τα τοποθετήσουν και τα δύο σε μια κβαντική υπέρθεση να βρίσκονται σε δύο σημεία ταυτόχρονα. Αυτή η αντιδιαισθητική συμπεριφορά είναι ένα θεμελιώδες χαρακτηριστικό της κβαντικής μηχανικής.

Το όραμα του καθηγητή Morley για το πείραμα

Κάθε διαμάντι μπορεί να θεωρηθεί ως μια μικρότερη εκδοχή της γάτας του Schrödinger. Κύριος Ερευνητής Καθηγητής Gavin Morley, Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο του WarwickΕξηγεί: «Η γάτα του Σρέντινγκερ είναι ένα πείραμα σκέψης που υποδηλώνει ότι θα ήταν πραγματικά παράξενο για τα καθημερινά αντικείμενα (και τα κατοικίδια!) να βρίσκονται σε μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης έτσι ώστε να βρίσκονται σε δύο σημεία ταυτόχρονα. Θέλουμε να δοκιμάσουμε το τα όρια αυτής της ιδέας».

“Έχουμε τοποθετήσει με επιτυχία άτομα και μόρια σε αυτή την κατάσταση υπέρθεσης, αλλά θέλουμε να το κάνουμε με πολύ μεγαλύτερα αντικείμενα. Τα διαμάντια μας αποτελούνται από ένα δισεκατομμύριο ή περισσότερα άτομα. Για να ελέγξουμε την κβαντική φύση της βαρύτητας, πρέπει να αναζητήσουμε αλληλεπιδράσεις ανάμεσα σε δύο από αυτά τα διαμάντια λόγω της βαρύτητας».

“Εάν η βαρύτητα ήταν κβαντική, θα μπορούσε να μπλέξει δύο διαμάντια. Η εμπλοκή είναι ένα μοναδικό κβαντικό φαινόμενο όπου δύο πράγματα συνδέονται πιο ισχυρά από ό,τι είναι δυνατόν στην καθημερινή μας ζωή. Για παράδειγμα, αν μπορούσαν να μπερδευτούν δύο νομίσματα, μπορεί να διαπιστώσετε ότι όταν τα αναποδογυρίζεις, κατεβαίνουν με τον ίδιο τρόπο, ακόμα κι αν είναι αδύνατο να γνωρίζεις αν θα είναι και τα δύο κεφάλια ή ουρά.

Προκλήσεις και επιπτώσεις

Υπάρχουν ακόμη πολλές προκλήσεις για την υλοποίηση αυτής της ιδέας, τις οποίες η ομάδα θα διερευνήσει κατά τη διάρκεια του έργου. «Για παράδειγμα, πρέπει να εξαλείψουμε όλες τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ νανοσωματιδίων εκτός από τη βαρύτητα, κάτι που είναι πολύ δύσκολο επειδή η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη», λέει ο Δρ David Moore, από Πανεπιστήμιο Yale.

Ο καθηγητής Morley, ο οποίος είναι ο ιδρυτικός διευθυντής του Warwick Quantum, μιας νέας πολυεπιστημονικής ερευνητικής πρωτοβουλίας για την κβαντική τεχνολογία, πρόσθεσε: «Για μένα, το πιο σημαντικό πρόβλημα στη φυσική αυτή τη στιγμή είναι η ανάπτυξη ενός πειράματος που μπορεί να ελέγξει την κβαντική φύση της βαρύτητας. Αυτό το νέο έργο είναι μια επιτάχυνση του συναρπαστικού μας ταξιδιού προς αυτό ακριβώς.

Προοπτικές από συνεργαζόμενους μελετητές

Ο καθηγητής Sugato Bose, από το University College του Λονδίνου, σχολίασε: «Είναι δύσκολο να υπερεκτιμηθεί πόσο σημαντικό είναι για τους φυσικούς να διεξάγουν πειράματα που μπορούν να εξερευνήσουν τον σωστό τρόπο συνδυασμού της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας. Άνθρωποι που εργάζονται σε θεωρίες κβαντικής βαρύτητας, όπως π.χ. Η θεωρία χορδών, συνήθως επικεντρώνεται στο Τι συμβαίνει σε υψηλές ενέργειες, κοντά σε μαύρες τρύπες και στη Μεγάλη Έκρηξη.

«Αντίθετα, η δουλειά μας γίνεται στο καθεστώς χαμηλής ενέργειας εδώ στη Γη, αλλά θα παρέχει επίσης ανεκτίμητες πληροφορίες για… αν Η βαρύτητα είναι κβαντική. Το πείραμα μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως επαλήθευση της γενικής πρόβλεψης οποιασδήποτε κβαντικής θεωρίας της βαρύτητας σε χαμηλές ενέργειες.

Ο καθηγητής Anupam Mazumdar, από το Πανεπιστήμιο του Groningen, προσθέτει: «Στο δρόμο προς την κατανόηση της κβαντικής φύσης της βαρύτητας, μπορεί να είμαστε σε θέση να δοκιμάσουμε άλλες πτυχές της θεμελιώδους φυσικής, όπως οι εξωτικές αποκλίσεις από τη Νευτώνεια βαρύτητα σε μικρές αποστάσεις».

«Αυτό είναι ένα απαιτητικό πείραμα και αυτό το έργο είναι μια εξερεύνηση για την αντιμετώπιση μερικών από τις βασικές τεχνικές προκλήσεις για να γίνουν πραγματικότητα αυτές οι δοκιμές των κβαντικών πτυχών της βαρύτητας», λέει ο Andrew Geraci, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής. Πανεπιστήμιο Northwestern.

Το έργο ονομάζεται «MAST-QG: Μακροσκοπικές υπερθέσεις προς θέαση της κβαντικής φύσης της βαρύτητας».