Ar gravitacija kuria realybę? Stulbinantis kelias link visko teorijos (Video) ()
Kvantinės mechanikos perrašymas, įtraukiantis gravitacijos jėgą, galiausiai galėtų padėti pasiekti vieną iš didžiausių fizikų tikslų ir atskleisti esminį laiko neapibrėžtumą
© Ryan Wills
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Kartais jūs nenuilstamai dirbate, spręsdami problemą, tik tam, kad suprastumėte, jog visą laiką ėjote atgal. Įsivaizduokite, kad bandote įgrūsti didžiulį antikvarinį pianiną pro siauras duris. Jūs išbandėte viską – sukiojote jį, nuėmėte kojeles, stumdėte jėga – bet tiesiog negalite jo įgrūsti. Galų gale suprantate, kad lengviau pastatyti kambarį, kuriame tilptų fortepijonas, ten, kur jis jau stovi.
Dabar kai kurie fizikai susiduria su panašiu mąstymo persvarstymu. Jau dešimtmečius pripažintas kelias į galutinę visko teoriją apima mūsų geriausios gravitacijos teorijos paėmimą ir įgrūdimą į kvantinės mechanikos rėmus. Atsižvelgiant į tai, kad kvantinė teorija labai sėkmingai apibūdina kitas tris iš keturių pagrindinių gamtos jėgų, požiūris suprantamas. Tačiau praėjus beveik šimtmečiui, mokslininkams gravitacijos pritaikyti vis dar nepavyko.
Štai kodėl keletas novatorių pasisakė už alternatyvią strategiją. Jie teigia, kad kvantinės mechanikos lygtis patobulinus – pastatant naują kambarį gravitacijai – galima paaiškinti, kaip keistas dalelių pasaulis sukuria mūsų kasdienę realybę.
Šiam požiūriui ištirti atsiveria įvairūs eksperimentiniai keliai, apimantys viską nuo levituojančių deimantų ir šviečiančių metalų iki svyruojančių švytuoklių ir tiksinčių laikrodžių. Bandymai žada atskleisti, kaip veikia kvantinis pasaulis, ir nukreipti paieškas link išsamesnio visatos supratimo. „Tai tarsi išplaukimas į atvirą vandenyną: neturime nė menkiausio supratimo, kur plaukti“, – sako Angelo Bassi, fizikas iš Triesto universiteto Italijoje. „Bet galbūt… eidami neteisinga kryptimi, atrasime tai, ko ieškome.“
Pasaulis, kokį mes pažįstame, yra aiškus. Jūsų knygos tvirtai stovi lentynose, laikrodis tiksliai skaičiuoja laiką, o jūsų katė akivaizdžiai gyva. Tačiau atomų pasaulyje niekas nėra tikra. Kvantinė mechanika leidžia mums apibūdinti tam tikras dalelių savybes, pavyzdžiui, jų padėtį, tik tikimybių požiūriu. Galite labai sėkmingai prognozuoti tikimybę rasti dalelę vienoje iš daugelio vietų, bet kur ji bus pastebėta konkrečiame bandyme, yra visiškai nežinoma. Kol tas matavimas neįvyksta, objektas egzistuoja kaip visų tų galimybių bangos pavidalo miglota visuma, kurią matematiškai apibūdiname vadinamąja bangos funkcija.
Tai palieka mums dvi didžiules mįsles, esančias kvantinės teorijos šerdyje. Pirma, neaišku, kaip ir kada išskydęs kvantinis pasaulis sukuria klasikinį konkretumą. Kita problema yra ta, kad šis tikimybinis aprašymas prieštarauja Alberto Einšteino klasikiniam gravitacijos supratimui. Pastangos perrašyti Einšteino darbus apie gravitaciją jėgų ir dalelių kalba baigėsi tokiomis konstrukcijomis kaip stygų teorija, kurios yra sudėtingos ir praktiškai nepatikrinamos.
|
Ilgai vyravo prielaida, kad giliai viduje viskas yra kvantiška. Tačiau praėjus šimtmečiui nuo kvantinės mechanikos atsiradimo, fizikai vis dar stengiasi iš jos sudaryti nuoseklią istoriją. „Turi būti kažkas dar, ir mes turime suprasti, kas tai yra“, – sako Bassi. „Svarbus žingsnis yra išbandyti kvantinės mechanikos ribas.“
Vienas iš būdų rasti šias ribas susijęs su viena iš daugelio kvantinės mechanikos keistenybių: superpozicijos principu. Dabar mokslininkai nuolat įveda vieną dalelę į mišrų būseną, kai ji yra dviejose skirtingose vietose – tai triukas, kurį jie gali patikrinti pagal interferencijos modelius, susidarančius iš tų sąveikaujančių galimybių. Tačiau vos tik jie išmatuoja, kur yra dalelė, ši susitraukia į vieną galutinę būseną: tarkime, į kairę arba į dešinę.
Yra daug galimų paaiškinimų, kas vyksta, kai atliekamas matavimas – kaip rodo įvairios kvantinės mechanikos interpretacijos. Daugelio pasaulių interpretacija teigia, kad kiekvienas galimas scenarijus išsiskleidžia skirtingoje realybės atšakoje, o Kopenhagos interpretacija iš esmės sako, kad reikia pasitikėti matematika.
© Hans Berggren/Getty Images
Kita paaiškinimų grupė ieško fizinio sprendimo. 1980-aisiais fizikai Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini ir Tullio Weber iškėlė mintį, kad kažkoks nematomas procesas kišasi į kvantines bangas, dėl ko jos staiga kolapsuoja. Vėliau fizikas Lajos Diósi iš Wignerio fizikos tyrimų centro Vengrijoje ir Oksfordo universiteto matematikas Roger Penrose pasiūlė sprendimą, kad šio paslaptingo proceso kaltininkė galėtų būti gravitacija. Iš esmės Diósi-Penrose modelis teigia, kad kovoje tarp kvantinės fizikos ir gravitacijos pirmoji palūžta kvantinė fizika. Pagrindinė šių dviejų mokslininkų iškelta prielaida buvo ta, kad didelės masės įtraukimas į superpoziciją priverstų erdvę-laiką išlinkti dviem skirtingais būdais – o to ji negali leisti. Jie pasiūlė, kad erdvės-laiko vientisumas nugalės ir privers kvantines bangas kolapsuoti.
Jei taip yra, superpozicijų trukmė būtų atvirkščiai proporcinga jų masės kvadratui. Kvantiniai objektai galėtų išlikti superpozicijoje labai ilgai, tačiau kuo didesnis objektas, tuo greičiau ji kolapsuotų. Tai paaiškintų, kodėl niekada nematome didesnių objektų superpozicijoje – nes jų didelė gravitacinė trauka akimirksniu priverstų ją kolapsuoti. Tai taip pat sprendžia sudėtingą matavimo problemą, nes bet koks prietaisas, pakankamai didelis, kad aptiktų ir perduotų informaciją apie kvantinę sistemą, taptų tos sistemos dalimi ir sutrikdytų ją gravitaciniu poveikiu. Ši idėja nukreipė diskusiją nuo paprasto kvantinės teorijos aiškinimo link jos peržiūrėjimo.
Vis didesnės superpozicijos
Pastaruosius 20 metų fizikai kūrė vis didesnes superpozicijas, tikėdamiesi patvirtinti – arba paneigti – šiuos spėjimus. Interferometrijos metodų, kurie išnaudoja kvantinės materijos dvejopą dalelių ir bangų pobūdį, pažanga leido padaryti milžinišką šuolį objektų, kuriuos galima priversti įeiti į superpoziciją, dydžio srityje. Anksčiau šiais metais fizikai pasiekė naują rekordą naudodami natrio nanodaleles iš daugiau nei 7000 atomų – jos didesnės už kai kuriuos virusus.
© S. Pedalino/QNP/Vienos universitetas
Naujausias Penrose'o ir jo bendradarbių eksperimentas rodo, kad tokie eksperimentai iš principo gali patikrinti jo kolapso hipotezę. Straipsnyje, kuris dar turi būti recenzuotas, paskelbtame internete 2025 m. gruodžio mėn., komanda, vadovaujama Ron Folman vadovaujama komanda iš Ben-Guriono universiteto Negevo regione Izraelyje rubidio atomą įvedė į dviejų būsenų superpoziciją: viena iš jų – levitavimas vietoje, kita – laisvas kritimas, veikiant gravitacijai. Stebėdami susidariusį interferencijos modelį, mokslininkai sugebėjo išmatuoti, kaip dėl šios sąveikos pasikeitė atomo kvantinė būsena. Jų rastas požymis atitiko šimtmečio senumo prognozę, patvirtindamas, kad – bent jau šiame mikroskopiniame mastelyje – superpozicijos principas yra suderinamas su bendrąja reliatyvumo teorija.
Išvada yra ta, kad ta pačia eksperimentine įranga galima būtų tirti, kada tas suderinamumas žlunga. Penrose'as mano, kad pakartojus šį bandymą su didesnėmis masėmis, rezultatai bus kitokie. Folmano ir jo komandos eksperimente laisvai krintančiam objektui veikianti gravitacijos jėga kilo iš Žemės. Tačiau jei superpozicijoje esantis objektas yra pakankamai didelis, gravitacijos trauka galėtų susidaryti tarp tų pačių objekto dviejų būsenų. Jei objektas yra ir čia, ir ten, teoriškai jis pajustų savo paties gravitaciją. Tokiu atveju, kaip prognozuoja Penrose, eksperimente turėtų išnykti interferencijos modelis. Tai reikštų, kad superpozicija žlugo dėl objekto gravitacinės tarpusavio sąveikos.
Cătălina Curceanu, fizikė iš Nacionalinio branduolinės fizikos instituto Frascati mieste, Italijoje, yra sužavėta eksperimente parodytu technologiniu meistriškumu. „Tai absoliučiai įspūdinga“, – sako ji. Jei įsivaizduotumėte, kad tai būtų padidinta, „galiausiai kvantiškumas išnyktų jūsų akyse“.
Jei jiems pavyktų sukurti tų deimantų superpoziciją ir juos atskirti 2 mikrometrais, jie prognozavo, kad gravitacijos sukeltas kolapsas įvyktų per mažiau nei sekundę.
Kiti terminų atžvilgiu ne tokie optimistiški. „Šiuo metu molekulės nėra pakankamai didelės, kad būtų galima realiai patikrinti bet kurią iš šių kolapso idėjų“, – sako Bassi. „Ta diena ateis, bet tai bus ilgas kelias.“
Nors kai kurie fizikai siekia sukurti vis didesnes kvantines superpozicijas, kiti sutelkia dėmesį į kitą tyrimų spektro galą: kas atsitinka su gravitacija mažiausiuose masteliuose.
Jau dešimtmečius fizikai bando išsiaiškinti, kaip kvantinė mechanika – kuri kalba tik tikimybėmis – galėtų kažkaip susilieti su bendrąja reliatyvumo teorija, kuri kiekvienam erdvės ir laiko taškui priskiria tikslias vertes. Dabar kai kurie pradeda sutarti dėl drąsaus sprendimo: padaryti gravitaciją atsitiktinę. Jei erdvėlaikis iš esmės yra triukšmingas, tuomet objektai nesektų gravitacijos traukos tiesiomis linijomis, o jų trajektorijose būtų įterptas tam tikras vidinis, nenuspėjamas svyravimas. Tai galėtų padėti paaiškinti, kaip maži objektai gali egzistuoti superpozicijoje nesulaužydami erdvėlaikio ir kodėl kvantinių sistemų matavimai atsitiktinai pasirenka vieną iš galimų rezultatų.
Atsitiktinė gravitacija
2023 m. Jonathan Oppenheim iš Londono universiteto koledžo įtvirtino šią idėją „post-kvantinėje“ teorijoje, kuri yra hibridinė sistema, leidžianti mikroskopiniam ir makroskopiniam masteliams veikti skirtingai, bet vis tiek sąveikauti. „Yra tik viena prielaida: gravitacijos laukas yra klasikinis“, – sako jis. „Visa kita išplaukia iš to.“
Ši teorija remiasi Diósi bei Antoine Tilloy iš PSL universiteto Prancūzijoje 2016 m., kurie parodė matematiškai nuoseklų būdą, kaip gravitacija gali būti atsitiktinė. Dabar Oppenheim teigia, kad klasikinio ir atsitiktinio gravitacijos lauko pakanka sutrikdyti kvantines superpozicijas, nereikalaujant jokios matavimo sąvokos ar papildomo kolapso mechanizmo. Ir, skirtingai nuo ankstesnių hibridinių modelių, kurie bando išlaikyti klasikinį erdvėlaikį, jo pasiūlymas taip pat puikiai dera su Einšteino bendrąja reliatyvumo teorija, dar labiau padidindamas jo patikimumą. Oppenheimas ir jo kolegos taip pat apibūdino eksperimentą, skirtą šioms idėjoms patikrinti, labai tiksliai stebint gravitacijai veikiančio objekto masę.
Tačiau ne visiems patinka idėja paversti gravitaciją atsitiktine. Ivette Fuentes iš Sautamptono universiteto Jungtinėje Karalystėje, artima Penrose'o bendradarbė, mano, kad hipotezė apie fluktuojantį gravitacijos lauką, nepaaiškinant, iš kur atsiranda atsitiktinumas, tik slepia problemą. „Nors nesutinku su tuo, ką jis daro, man tai labai patinka“, – sako ji. „Jis randa alternatyvų būdą ir siūlo eksperimentą jam patikrinti.“
Be to, postkvantinė gravitacija dabar padeda tirti gravitacinio kolapso modelius plačiau. Neseniai fizikai tyrinėjo klasikinio gravitacijos lauko, sąveikaujančio su kvantine medžiaga, pasekmes. Jie nustatė, kad jei gravitacija yra klasikinė, ji privalo atsitiktinai kolapsuoti kvantines bangas kiekvieną kartą, kai jos sąveikauja – o tai sukeltų tam tikrą virpėjimą bangos funkcijoje, apibūdinančioje kvantines būsenas. Praėjusiais metais atskiri tyrimai, kuriems vadovavo Bassi ir Daniel Carney iš Lawrence'o Berkeleio nacionalinės laboratorijos Kalifornijoje, apskaičiavo minimalų tų svyravimų dydį. Jų analizės atveria naujas galimybes šiems modeliams patikrinti.
Nauji eksperimentai
Per pastaruosius kelerius metus, ieškant atsitiktinumo gravitacijos lauke.
Pirmojo tipo bandymai skirti ieškoti šilumos, kurią generuoja kvantinė medžiaga, kai ją sukrečia gravitacija. Atsitiktinis gravitacijos laukas, veikiantis įkrautas daleles, priverstų jas virpėti – ir tuo pačiu metu spontaniškai spinduliuoti. Mokslininkai ieško tos spinduliuotės, medžiagas patalpinę į itin gerai ekranuotas aplinkas, kuriose jos turėtų būti apsaugotos nuo bet kokių kitų šilumos šaltinių.
Curceanu ir jos kolegos paima germanio gabalėlį, apvynioja jį švinu, užkasa jį daugiau nei kilometro gylyje po žeme ir tada ieško bet kokių netikėtų šviesos blyksnių. Naujausieksperimentai, kuriuos atliko jos komanda, dar neaptiko jokios reikšmingos anomalios spinduliuotės, o tai sugriežtina šių idėjų apribojimus ir, kai kuriais atvejais, atmeta visus modelius. Tačiau Curceanu teigia, kad neigiami rezultatai visiškai neuždaro durų kolapsų teorijoms. „Kai pašalinate paprasčiausius modelius“, – sako ji, „tada gali prasidėti tikrasis darbas.“
© ESA/ATG medialab
Kitas kanalas skirtas svyruojantiems švytuokliams, ieškant subtilaus jų judėjimo nukrypimo, kurį sukelia gravitacijos atsitiktinumas. Kai kurie mokslininkai stebi mažus siūbuojančius iškyšulius, ieškodami nepaaiškinamų judesių, kuriuos būtų galima priskirti gravitacijai. Kiti tiria mažus metalinius kubelius, nuolat laisvai krintančius Europos kosmoso agentūros palydove „LISA Pathfinder“, kuris pateikė vienus iš griežčiausių iki šiol nustatytų apribojimų. Praėjusiais metais Bassi ir jo kolegos pateikė pasiūlymą atlikti švytuoklių eksperimentus žymiai žemesnėje temperatūroje, kur trukdantys triukšmai yra daug tylesni.
Neseniai atsivėrė trečiasis kanalas, kuris galėtų mus nuvesti prie gilių atradimų apie mūsų visatą. Komanda, vadovaujama Nicola Bortollotti vadovaujama komanda Romos Sapienza universitete parodė, kad visi žlugimo modeliai, kuriuose naudojama gravitacija, taip pat turi svarbių pasekmių pačiam laikui. Tyrėjai teigia, kad atsitiktinis gravitacijos laukas, sukeliantis materijos virpėjimą, nustatytų esminę ribą, kiek tiksliai galime nustatyti laiką.
Galutinė laiko riba
Ši riba yra daug kartų didesnė už Plancko laiką, kurį fizikai anksčiau laikė mažiausiu išmatuojamu laiko intervalu. „Galutinis laiko neapibrėžtumas gali nereikalauti ekstremalios kvantinės gravitacijos, bet gali kilti iš labiau prieinamos fizikos“, – sako straipsnio bendraautorius Curceanu.
Ši riba vis dar yra toli už pasiekiamumo ribų net ir geriausiems šiandieniniams laikrodžiams, kurie naudoja atomo energijos būsenų svyravimus. Tačiau ateities laiko matavimo tikslumo patobulinimai galėtų atverti kitą būdą išbandyti šiuos kolapso modelius. Jei jie teisingi, tūkstantmečio senumo siekis kurti vis geresnius laikrodžius vieną dieną galėtų pasiekti ribą – o ta riba galiausiai padėtų atskleisti kvantinės ir klasikinės fizikos skirtumą. Kadangi skirtingi kolapso modeliai pateikia skirtingus spėjimus, kaip greitai turėtų sumažėti šio laikrodžio tikslumas, šis metodas galėtų padėti eksperimentiniu būdu atskirti modelius.
„Tikiesi, kad laikas teka tolygiai, bet jei turi labai mažus laikrodžius, galbūt pastebėsi, kad laiko matavime yra atsitiktinumo“, – sako Bortolotti. Jei taip ir bus, sako jis, „turėsime pakeisti savo laiko sampratą.“
Net jei ateities eksperimentai uždarys duris šiam požiūriui, fizikai yra įsitikinę, kad tyrimai atskleis gilias įžvalgas apie tai, kaip mūsų griežta realybė atsiranda iš neapibrėžto atomų šokio. „Jie yra apriboti iš skirtingų pusių, skirtingų platformų ir skirtingo masės diapazono“, – sako Bassi. Šie eksperimentai po truputį mažina likusią teorinę erdvę modeliams, kurie bando pritaikyti kvantinę mechaniką gravitacijai. „Arba jie kartu ją sumažins iki nulio, ir tai bus pabaiga. Arba jie kažką atras.“
Zack Savitsky
www.newscientist.com
