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.
