Eks­pe­ri­men­tai su gra­vi­ta­ci­ja pa­ga­liau ga­li pa­ro­dy­ti, kaip ji veikia kvan­tų pa­sau­lį ir leis mums su­kur­ti vis­ko teo­ri­ją

Kvantinis filmukas rodo atskiras molekules

Kvantų pasaulis visada atrodė nesusijęs su bendruoju reliatyvumu, Einšteino gravitacijos teorija. Vienas valdo atominiu ir smulkesniu lygmeniu; kitas – kosmoso platybėse. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl fizikai plūkiasi, stengdamiesi sujungti kvantų teoriją ir reliatyvumą į visko teoriją, rodančią kaip veikia visata fundamentaliu lygmeniu.

Kol kas visas dėmesys buvo sutelktas į schemas, pradedančias veikti aukštos energijos sąlygose, egzistavusiose iškart po Didžiojo Sprogimo (DS). Tik bėda, eksperimentuoti su tokiomis teorijomis neįtikėtinai sunku. „Iki jų patikrinimo dar toli gražu,“ sako Rogeris Penrose'as iš Oxfordo universiteto. „Reiktų pastatyti Saulės sistemos dydžio greitintuvą – tai kol kas visai nesvarstoma.“

Tačiau gali būti, kad kvantų pasaulis turi daugiau bendro su reliatyvumu, nei manome. Pasak Penrose'o, jau dešimtmečius atlikinėjame kvantų teoriją ir reliatyvumą apimančius eksperimentus. Su keliais pataisymais, jie gali pasiūlyti skirtingą būdą pažvelgti į ieškomus atradimus. „Tai atrodo kaip daug vaisingesnis kelias į tikrojo visatos veikimo išsiaiškinimą.“

Kaip taip gali būti? Na, iki šiol geriausiai žinomų fizikos keistenybių sąveika buvo, galima sakyti, ignoruojama. Imkime faktą, kad atomai ir mažos molekulės gali egzistuoti dviejose vietose tuo pat metu, – fenomenas, vadinamas superpozicija. Ši žymioji savybė yra esminė kvantų realybės savybė ir buvo demonstruojama nesuskaitomoje daugybėje eksperimentų. Tačiau pasirodo, kad kai kurie fundamentalūs klausimai apie gravitacijos vaidmenį superpozicijoje niekada nebuvo užduoti, nekalbant jau apie atsakymus.

Šių klausimų uždavimas ir atsakymų išsiaiškinimas leistų atverti duris į visatos, kaip visumos supratimą. Jie taip pat apšviestų vieną iš didžiausių mokslo mįslių: kas sukelia perėjimą tarp keistojo kvantų pasaulio ir kasdieninės „klasikinės“ tikrovės. Tai, kas anksčiau atrodė, kaip neįmenamos mįslės, dabar gali būti ne taip toli nuo įminimo. „Esame arčiau, nei kada nors anksčiau,“ sako Cisco Goodingas iš Britų Kolumbijos universiteto (UBC) Vankuveryje.

Paslaptį daugeliu atvejų gan paprasta išdėstyti. Štai, pradžiai: bendrasis reliatyvumas teigia, kad masė iškreipia erdvę ir laiką taip, kad šalia esantys objektai jaučia tai kaip traukos jėgą, kurią vadiname gravitacija. Ar tai reiškia kad superpozicijoje atomo masė sukuria du atskirus erdvėlaikio iškreipimus – ir taip gravitaciškai veikia pats save?

Štai dar: specialusis reliatyvumas sako, kad erdve judantys atomai laiką jus skirtingai. Tai vadinama reliatyvistiniu laiko sulėtėjimu (angl. time dilation). Bet jeigu judantis atomas yra superpozicijoje, laiko sulėtėjimas turi pasireikšti abiems dalelėms iš karto, ir jis bus skirtingas abiejų dalelių atveju. Taigi, kaisuperpozicija baigiasi ir dvi dalelės vėl tampa viena, ar jų amžius skiriasi?

Žvelgiant dar fundamentaliau, kyla klausimas, ar bendrasis reliatyvumas išvis leidžia superpoziciją. „Čia kyla konfliktas,“ pabrėžia Penrose'as. „Negalima gauti dviejų gravitacinių laukų superpozicijos: tai neteisėta.“

Čia verta pabrėžti, kad nei su bendruoju, nei su specialiuoju reliatyvumu nieko blogo nepastebėjome: eksperimentai rodo, kad jie yra teisingi.

Kvantų kolapsas

Kvantų teorija irgi veikia taip pat gerai, nors jos keliamos idėjos dar keistesnės. Pavyzdžiui, superpozicija veikia dėl reiškinio, vadinamo kvantų koherencija. Būtent tai leidžia kvantiniams objektams perskirti savo egzistavimą, charakteristikas ir savybes tarp skirtingų erdvės taškų, skirtingų judėjimų ar net tarp visiškai skirtingų dalelių.

Tikroji problema yra ta, kad šios dvi teorijos veikia tik atskirai. Kvantų teorija neturi ką pasakyti apie dalelių kertamos erdvės ir laiko savybes. O reliatyvumas tyli kaip žemė apie tų dalelių savybes. Pabandžius sujungti, jos paprasčiausiai atsuka viena kitai nugaras. „Kaip pereiti nuo vienos prie kitos?“ klausia Miles Blencowe iš Dartmouth koledžo Hanoveryje, New Hampshire'e. „Neturime kvantinės gravitacijos teorijos.“

Ir todėl Penrose'as ir kiti negali sulaukti naujos „gravitaciškai sukeltos dekoherencijos“ eksperimentų kartos.

Dekoherencija kvantų tyrėjai vadina kvantų koherencijos suirimą. Pavyzdžiui, galima suteikti atomui – ar netgi daugeliui atomų – erdvinę superpoziciją, bet ji netrunka. Galiausiai superpozicija „kolapsuoja“ ir atomas staiga atsiduria tik vienoje vietoje.

Klasikinis kvantinės superpozicijos tyrimo būdas yra paleisti atomą į ekraną su dviem plyšiais – interferometrą. Atomas gali lėkti pro bet kurį, tačiau eksperimentai rodo, kad , kad jei niekas nematuoja, pro kurį plyšį jis skrieja, jis skries iškart per abu. Iš čia atsiranda „interferencijos vaizdas“ už ekrano su plyšiais esančiame detektoriuje. Jame gerai matomos juostos, kur atomai pataikė į detektorių, einančios pakaitomis su tuščiomis juostomis, kur atomai nepataikė. Vienintelis tokio vaizdo paaiškinimas yra toks, kad kiekvienas atomas pasidalina į du, ir lekia per abu plyšius tuo pat metu, tada interferuodamas su pačiu savimi.

Dar keistesni dalykai dedasi, tokį interferometrą papildžius dar vienu jutikliu, įtaisytu taip, kad būtų aišku, per kurį plyšį skriejo atomas. Vien šio detektoriaus buvimas sukelia dekoherenciją ir sunaikina interferencijos vaizdą. Atrodo, kad atomai elgiasi keistai tik tada, kai niekas jų nestebi.

Tiksintys atomai

Yra daug idėjų, kodėl taip nutinka. Daugelis susiję su informacijos praradimu: atomo kelio fiksavimas priverčia atomą pasirinkti vieną ar kitą kelią ir neleidžia skrieti abiem. Eksperimentai parodė, kad detektorius nebūtinas: atomo pakaitinimo, kad šis imtų skleisti terminius fotonus, leidžiančius nustatyti jo poziciją, panašu, pakanka interferencijos vaizdo susilpnėjimui.

Niekas išties nežino, ką su visu tuo veikti. Padėtį dar labiau apsunkino atradimas, kad daugelio atomų rinkinys negali egzistuoti superpozicijoje. Pavyko gauti interferencijos vaizdą su molekulėmis, sudarytomis iš 800 atomų, bet kuo jos masyvesnės, tuo trumpiau trunka superpozicija. Tai kai kam kelia įtarimą, kad pagrindine priežastimi, kodėl daugelio atomų rinkiniai – taip pat ir mes – nesame kvantiniai.

Patikrinti šią idėją toli gražu nėra paprasta, kadangi atomų superpozicija yra labai delikatus dalykas. Tačiau mūsų gebėjimai apsaugoti ją nuo šilumos, vibracijų ir kitų trikdžių labai patobulėjo, o tai reiškia, kad galime imti aiškintis gravitacijos vaidmenį.

Pavyzdžiui, Gooding ir Billas Unruhai, taip pat iš UBC, planuoja patikrinti, kaip superpozicijoje esančius atomus veikia laikas, jiems skriejant skirtingais keliais interferometre ir vėl susijungiant ir sudarant interferencijos vaizdą. Atomą galima laikyti mažu osciliatoriumi, kiek primenančiu laikrodžio švytuoklę. Pasiųsti į interferometrą atomai „yra maži laikrodukai, tiksintys skirtingai, o vėl susijungus, šių dviejų laikrodžių rodomas laikas nebūtinai sutampa,“ paaiškina Gooding. „Turėtume išvysti kažkokį susidūrimą tarp šių atskirų laiko tėkmės pasireiškimų.“ To turėtų pakakti interferencijos vaizdo išsiaiškinimui.

Igoris Pikovski'is iš Harvardo universiteto turi kitą su laiko anomalijomis susijusį planą. Dirbdami su Caslavo Bruknerio grupe Vienos universitete Austrijoje, jie mano, kad galėtų sudaryti laikrodžio superpoziciją skirtinguose aukščiuose. Tai reikštų, kad kad dvi superpozicijos dalys egzistuoja skirtingose Žemės gravitacinio lauko vietose.

Pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, silpnesniame gravitaciniame lauke laikas bėga greičiau. Todėl per visą gyvenimą galva pasensta 300 nanosekundžių daugiau, nei pėdos. Superpozicijoje esančiam vieno atomo laikrodžiui tai kelia problemą – dviems laikams išsiskyrus, atomas bus verčiamas tapti vienu ar kitu laiku. „Faktas, kad atomas skirtingose vietose rodo skirtingą laiką, suteikia informaciją apie atomo poziciją,“ sako Pikovski'is. „Tai sunaikina koherenciją.“ Kitaip tariant reliatyvistinis laiko sulėtėjimas dėl gravitacijos gali paaiškinti, kodėl neregime kvantinės superpozicijos įprastiniame pasaulyje.

Tai gali būti patikrinta, naudojant „atominių fontanų“ techniką, kai per mikrobangų lauką aukštyn stumiami atomai sukuria ultratikslius interferometrus. Tam reikės kiek patobulinti egzistuojančius eksperimentus, bet nedaug. „Tai nėra kažkas, ką galėtume padaryti dabar, tačiau greitai bus įmanoma,“ tikina Pikovski'is.

Kituose kuriamuose eksperimentuose naudojama įvairi superpozicija. Dirkas Bouwmeesteris iš Leideno universiteto Nyderlanduose ir Markusas Aspelmeyeris iš Vienos universiteto nepriklausomai vienas nuo kito kuria veidrodines atramas. Šios struktūros atrodo kaip tramplynai, egzistuojantys dviejose konfigūracijose tuo pačiu metu. Kai superpozicijoje esantis fotonas pataiko į veidrodį, jis gali suteikti tramplynui superpoziciją – tuo pat metu jis vibruoja (lyg naras būtų ką tik atsispyręs) ir nesutrikdytas.

Tai pirmą kartą buvo pasiekta prieš keletą metų. Dabar Penrose'as mano, kad kiekviena superpozicijoje esančio tramplyno dalis turėtų sukurti tiek gravitacijos kitai , kad jos kolapsuotų į vieną. „Tai ta tikra prasme yra labai grubus vertinimas,“ pažymi jis, „bet kažkas tikrai vyksta ne taip.“

Dabar Bouwmeesterio ir Aspelmeyerio komandoms kyla iššūkis išlaikyti superpoziciją pakankamai ilgai, kad būtų galima ištirti gravitacijos dekoherencinį poveikį. Viena iš problemų su tramplynais yra ta, kad juos sunku atsieti nuo jų aplinkos. Dėl to superpozicija kolapsuoja nuo vibracijų, perduodamų per aparatą, o ne dėl gravitacijos.

Didelių objektų – didelių kvantiniais terminais – objektų kūrimas ir tyrimas yra nauja teritorija mokslininkams. Ir nekeista, kad yra ir kitų idėjų, kodėl tikrovė didesniu masteliu nustoja būti kvantine. Vienas pasiūlymas yra peržiūrėti pačią kvantų teoriją. Įdomesnė jos versija skelbia, kad superpozicijos neįmanomos objektams, susidedantiems iš daugiau, nei tam tikras skaičius, dalelių, dėl reiškinio, vadinamo spontaniška lokalizacija, o tai rodo, kad svarbus masės pasiskirstymas – tankis.

Atsakymą į būtent šį klusimą galime rasti jau gana greitai. Markuso Arndto grupė iš Vienos universiteto kartojo dvigubo plyšelio eksperimentą su vis didesniais objektais. Arndtas mano, kad spontaniška lokalizacija jo eksperimentuose turėtų pasireikšti dalelėms, kurių masė yra tarp 1⁵ ir 1⁸ atominės masės vienetų (vienas a.m.v. lygus 1/12 anglies-12 atomo masės).

Prieš kaltindami gravitaciją, turime atmesti spontanišką lokalizaciją. „Sunku žadėti, kada tai nutiks, bet tikimės, iki šių metų galo,“ sako jis. Dabar jie suteikia superpoziciją 10 000 a.m.v. objektais ir artinasi prie 100 000 – žemesniosios ribos, kur, manoma, įvyksta spontaniška lokalizacija. Tada laukia nervinga kelionė iki 100 milijonų a.m.v., kai galėsime šią galimybę atmesti.

Visk teorija

Žinoma, galutinis teisėjas bus eksperimentai. Ir galiausiai, visoms šioms technikoms kyla savi iššūkiai. „Niekas mūsų planetoje kol kas to atlikti negali,“ sako Arndtas. Šioje srityje tebėra gražaus laiko teoretikams, šypteli jis. „Negalime jų suvaržyti.“

Tad, visas spaudimas tenka eksperimentatoriams. Jie greito sprendimo nežada. Aspelmeyeris mano, kad laukia ilgas kelias – ir tai tėra tik tiek, kiek jis mato. „Jis gali būti ilgas, labai ilgas arba neįmanomas,“ sako jis.

Žmonės nesutaria, kiek toks darbas nušvies visko teorijos paieškas. Daugeliui atrodo, kad tokia teorija tebėra tokia pati tolima perspektyva, kaip visada. Bet Gooding yra optimistas. Vienas geras šių eksperimentų dalykas yra tai, kad juose nieko išgalvoto. Tokiomis sąlygomis išbandėme bendrąjį reliatyvumą ir kvantų mechaniką, ir jie veikė. „Jei galėsime ką nors pademonstruoti vien iš šių teorijų, turėsime rimtą priežastį tikėti, kad efektas tikras,“ tvirtina jis. „Jei pademonstruotume su stygų teorija, visad liktų įkyri mintis, kad gal tai kažkaip susiję su stygų teorijos spėjimais.“

Jis mano, kad atsakymo galime sulaukti per 10 metų. Ir tai labai gera prognozė. Dar visai neseniai neatrodė, kad išvis kada nors galėsime patikrinti gravitacijos kvantinę sąveiką. „Dabar tai atrodo kaip kažkas visai įgyvendinamo, o ne kažkas, ko neturime šansų kada nors išvysti,“ dėsto Goodingas.

Michael Brooks
New Scientist № 3002

Komentarai (5)