Gravity vs Quantum Fiziği: Araştırmacılar, “en önemli olağanüstü sorunlardan biri” üzerine yaklaştıklarını söylüyorlar

Yeni bir toplantıda umut verici ilerlemeler Kuantum fiziğinde, araştırmacılar nihayetinde uzlaşmaya yol açacağını umdukları son teknoloji çalışmaları ortaya koyuyorlar. kuantum belirsiz ilişkisinin sinir bozucu sorunu ile çerçeve yer çekimi.

Kuantum fiziği 100 yıllık bilimsel muayeneyi yıpratmış olabilir, periyodik tablo Yıldızların parlaklığına ve evrenimizdeki bir dizi başka fenomen. Yine de geliştirme girişimleri kuantum teorileri yer çekimi gerçek dünya gözlemlerinde destekleyici bir kanıt bulamadı. Sorun sadece beklentilerle eşleşmeyen verilerde değil, ne tür kanıt aranacağına ve nasıl ölçüleceğine dair temel konuda, bazı araştırmacıların bilimin nihayet köşeyi açmak üzere olduğuna inandıkları sorular.

Başarılı bir kuantum on yılı

“Kuantum mekaniği ve yerçekimi nasıl birbirine uyuyor, fizikteki en önemli sorunlardan biri,” Kathryn ZurekPasadena'daki California Teknoloji Enstitüsü'nde (Caltech) teorik bir fizikçi Son zamanlarda anlatıldı Doğa.

Ancak araştırmacılar, kuantum yerçekimi teorilerini ölçülebilir verilerle doğru bir şekilde test edebildiklerinde hızlı yaklaşıyor olabilir. Son on yıl kuantum araştırmalarında önemli ilerlemeler gördü ve şimdi bazı bilim adamları laboratuvar hassasiyetinin sınırlarını, nihayet yerçekiminin kuantum doğasına cevap verebilecek deneyler önerdikleri noktaya itiyorlar. Önerilen fikirler, mevcut lazer teknolojisinin iyileştirmelerinden, fiziksel olarak mümkün olan şeylere sınırları zorlayan egzotik madde manipülasyonlarına kadar uzanmaktadır.

Viyana Üniversitesi'nde deneysel bir fizikçi olan Markus Aspelmeyer, “Hem deneysel kapasitede hem de bu tür deneylerden gerçekte ne öğrendiğimizi teorik anlayışımızda büyük bir artış oldu” dedi.

Kuantum fiziği vs klasik

Şu anda yerçekimi, Einstein'ın genel görelilik teorisi olarak bilinen klasik teori ile açıklanmaktadır. Bu teori, kitlelerin, bir trambolin üzerindeki bowling topları gibi, kendi etraflarında uzay-zaman kıvrılarak birbirlerini etkilediğini iddia ediyor. Bu görüşe göre, parçacıklar uzayda hassas noktaları işgal ederek iyi tanımlanmış yörüngeler boyunca hareket ederler.

Aksine, kuantum fiziği, parçacıkları belirli yapılara ve yerlere sahip ayrı bileşenlerden daha fazla olanak bulutları gibi tanımlar, uzaydaki konumları sadece ölçüldükten sonra anlamlı hale gelir.

Bu nedenle kuantum bir yerçekimi teorisi, belirli konumlar yerine bulanık olasılık dağılımlarına dayanarak genel görelilikten çok daha az somut olacaktır. Genel görelilik, uzay-zamanın pürüzsüz bir kumaşı öngörürken, bazı alternatif teoriler bunun Quanta adı verilen ayrı “parçalardan” oluşabileceğini düşündürmektedir-ancak varlıkları mutlaka bir kuantum açıklaması gerektirmez.

Bilim adamları, yerçekimini kuantum terimleriyle ilk tanımlamaya çalıştıklarında, genel göreliliğin elektromanyetizma gibi diğer teorilerden çok daha zor olacağını fark ettiler. Standart prosedürleri kullanarak dönüştürmek için erken çabalar saçma sonuçlar üretti. Dize teorisi, temel parçacıkların görünmeyen boyutlarda küçük titreşimli dizeler olduğunu önererek çekiş kazandı, ancak hiçbir deneysel kanıt henüz bu fikri desteklemedi. Dize teorisi ve pratik test araçlarından yoksun diğer radikal kavramlarla, bazı fizikçiler alandan hayal kırıklığına uğradı.

İngiltere, Southampton Üniversitesi'nde teorik bir fizikçi olan Ivette Fuentes, “Bence insanlar onunla hayal kırıklığına uğruyor” diyor.

Gravity Quantum mu?

Bazı fizikçiler, daha karmaşık teoriler ve deneyler geliştirmeden önce araştırmacıların önce yerçekiminin kuantum doğası olup olmadığını belirlemeleri gerektiğini savunuyorlar.

Londra Üniversitesi Royal Holloway'da deneysel fizikçi Richard Howl, “Yerçekiminin kuantum haline gelmesine veya yerçekiminin hiç kuantum fenomeni olup olmadığına dair herhangi bir deneysel kanıtımız yok” diyor.

Aspelmeyer, “Benim için en havalı şey bir evet ya da hayır denemesi olurdu” diyor.

Kuantum fiziğinde, nesneler aynı anda iki devleti işgal ettikleri süperpozisyon adı verilen bir duruma girebilir. Genel göreliliğin kuantum versiyonu, bir nesnenin uzay-zaman üzerindeki bükülme etkisinin aynı anda iki yolu izleyebileceğini ima eder. O zaman soru şu olur: Bu, diğer nesneleri yerçekimsel olarak nasıl etkiler? Ayrıca her iki yolu da takip ederler, ortalama bir yola yerleşirler veya daha büyük nesneyi tek bir yola zorlarlar, tıpkı ölçümün bir parçacığı bir pozisyona çözmeye zorladığı gibi mi?

Başka bir yaklaşım, kuantum dolaşımıyla test etmektir. İki nesne etkileşime girdiğinde, dolaşabilirler, yani birinin özellikleri sadece diğerini ölçerek belirlenir. Sadece yerçekimi yoluyla etkileşen iki nesne arasında dolaşma gözlemlenebilirse, yerçekiminin kuantum doğasını doğrulayacaktır.

Kuantum yerçekimi için test

Aspelmeyer, bu konsepti test etmek için bir deney tasarladı, ancak nispeten büyük nesnelerin kuantum etkilerini manipüle etmeyi gerektirecek birçok deneyden biri olarak bunu gerçekleştirmek ulaşılamaz. Zorluklara rağmen, lazer ışınları tarafından kaldırılan küçük cam kürelerin kuantum davranışları gösterdiği bir atılım da dahil olmak üzere bu cephede ilerleme kaydediliyor.

Zurek tarafından ortaya konan bir başka konsept, kuantum yerçekiminin uzay-zaman kumaşında rastgele bir sallanma ile sonuçlanması gerektiğidir. Caltech'in Lee McCuller şu anda, gelecek yıl hazır bir konsept kanıtı olması beklenen Uzay Zamanının Kuantum Dolaşımından (GQQUEST) yerçekimi adı verilen bir deneyi bir araya getiriyor. Test, uzayda rastgele dilatasyonları tespit etmek için bölünmüş bir lazer ışını kullanarak bir masa üstü lazer interferometresine benzeyecek, bu da Zurek'in teorisi için veri sunabilir.

Klasik ve kuantum fiziği bir arada var olabilir mi?

UCL araştırmacısı Jonathon Oppenheim tarafından geliştirilen quantum sonrası bir teori, kuantum fiziğinin yanında varolacak klasik yerçekimini uzlaştırma konusundaki çemberi kare yapabilir. Teori, klasik kavramlarla aksi takdirde hizalanırken, yerçekimi ve uzay-zaman rastgele dalgalanmalara tabi olduğunu ortaya koymaktadır. Yakalama, böyle bir teorinin belirleyici olmamasıdır-birçok fizikçinin olası olmadığı bir fikir.

Oppenheim, “Gerçekleşme, öngörülebilirlikte bir arıza yaşadığınız sürece uzay-zaman ve kuantum mekaniğinin tutarlı olabileceğiydi” diyor.

Belki yutmak zor olsa da, Oppenheim'ın çalışması başka bir fizik gizemini de açıklayacaktı: kara delikler neden buharlaştıklarında bilgiyi siliyor gibi görünüyor. Teorisini kağıt üzerinde bırakmaktan memnun olmayan Oppenheim, teorisi için serbest düşen nesnelerin hareketinde küçük rastgele gerizekalıları tanımlama şeklinde bir test önerdi. Her ne kadar Avrupa Uzay Ajansı'nın Lisa Pathfinder probundan elde edilen verilerde bu tür kanıtları bulma girişimi başarısızlıkla karşılaşsa da, gerizekalıların o kadar küçük olma şansı var ki, kullanılan enstrümantasyon onları tespit etmek için yeterince kesin değildi.

Fizikçiler, evren boyunca uzanan muazzam kozmik dizelerin potansiyel varlığı da dahil olmak üzere bir dizi başka fikirle yüzüyorlar. Bu fikirlerin çoğunluğu için test, bugünün teknolojik sınırlamalarından en az on yıl uzaklıktadır, ancak birçok araştırmacı ilerlemenin yolda olduğunu umuyor.

Oppenheim, “Bence kuantum-yerçekimi araştırmalarında yeni bir dönem” diyor. “Artık doğa ile bu diyalogu ileri geri alabiliriz ve sadece karanlıkta model oluşturma yapmakla kalmaz.”

Ryan Whalen, bilgilendirme için bilim ve teknolojiyi kapsar. Veri bilimi sertifikası ile tarihte bir MA ve kütüphane ve bilgi bilimi yüksek lisans derecesine sahiptir. Onunla iletişime geçilebilir [email protected]ve onu Twitter'da takip et @mdntwvlf.