Poszukiwanie grawitacji kwantowej

Około sto lat temu Albert Einstein zadziwił świat swoją przełomową teorią względności, a ponieważ podzielił głębokie zrozumienie grawitacji i czasoprzestrzeni, fizycy na całym świecie ciężko pracowali, aby je udowodnić, udoskonalić i rozszerzyć. W następnych dziesięcioleciach udowodniono wiele obserwacji Einsteina, obejmujących zjawiska takie jak soczewkowanie grawitacyjne i przesunięcie ku czerwieni, zmiany orbit planet, a ostatnio fale grawitacyjne i obserwacje czarnych dziur.

Jednak pomimo całego postępu, jaki poczyniliśmy w oglądaniu łatwiejszych do zaobserwowania ogólnych skutków grawitacji, nadal istnieje luka – tak naprawdę luka – w naszej zdolności zrozumienia grawitacji w kontekście innego głębokiego odkrycia: mechaniki kwantowej, fizyka materii i energii w najmniejszej skali.

„Istnieje długotrwały problem, być może największy pozostały problem 20^NS fizyki wieku, aby pogodzić mechanikę kwantową z grawitacją” – powiedział fizyk teoretyczny z University of California w Santa Barbara Stephen Giddings. Wszechświat jest kwantowy i w przeciwieństwie do innych fundamentalnych sił — elektromagnetyzmu, słabych i silnych sił jądrowych — opisanych w kwantowej teorii pola, to, co wiemy o grawitacji, pozostaje spójne w świecie fizyki klasycznej.

„Ten problem jest związany z luką między teorią a obserwacją” – powiedział Giddings, który specjalizuje się w teorii wysokich energii i grawitacji, a także kwantowych czarnych dziur, kosmologii kwantowej i innych kwantowych aspektach grawitacji. Konwencjonalne myślenie prowadzi do przekonania, że ​​kwantowe aspekty grawitacji można zaobserwować tylko wtedy, gdy badamy niewiarygodnie krótkie odległości, powiedział, takie jak długość Plancka (10).^-35 metrów), uważa się, że jest to najmniejsza długość we wszechświecie i długość, przy której kwantowe efekty grawitacyjne stają się znaczące. Jest również poza zasięgiem wzroku.

Ale co by było, gdyby grawitację kwantową można było wykryć w skalach obserwowalnych długości? Giddings i jego koledzy teoretycy Katherine Zurek i Yanbei Chen z Caltech, Cynthia Keeler i Maulik Barrick z Arizona State University oraz Ben Frevogel i Eric Verlinde z University of Amsterdam uważają, że tak właśnie jest.

„Różne odkrycia teoretyczne wskazują, że efekty grawitacji kwantowej mogą stać się ważne na znacznie większych odległościach w pewnych kontekstach, co jest naprawdę ekscytujące i warte zbadania” – powiedział Giddings. „Traktujemy to bardzo poważnie”.

Przy wsparciu Fundacji Heising-Simons zespół przygotowuje się do wypełnienia tej luki, badając sposoby, w jakie można obserwować grawitację kwantową poprzez efekty na dłuższych dystansach.

Giddings powiedział o 3,1 miliona dolarów w wielu grantach fundacji, aby pomóc zespołowi przekroczyć granice naszej wiedzy o grawitacji kwantowej. „Ich wsparcie powinno naprawdę popchnąć te badania do przodu”.

Efekty kwantowe przy dłuższych długościach
Pogodzenie teorii względności i mechaniki kwantowej było wyzwaniem dla fizyków przez większą część stulecia, z tajemnicami takimi jak paradoks informacji o czarnej dziurze. To tutaj teoria względności i mechanika kwantowa ścierają się gwałtownie w kwestii tego, co dzieje się z informacją, która wpada do czarnej dziury, tych wysoce grawitacyjnych pustki czasoprzestrzeni. Obraz relatywistyczny sugeruje, że informacja jest niszczona, gdy czarna dziura powoli wyparowuje, podczas gdy mechanika kwantowa twierdzi, że informacji tej nie można zniszczyć.

Proponowane podejście do tej zagadki i innych podobnych złożonych problemów pojawia się wraz z proponowaną zasadą holograficzną, całkowicie nową ideą dotyczącą możliwego zachowania grawitacji kwantowej.

Giddings wyjaśnił: „Istnieją różne sposoby wyjaśniania tego, ale jednym z nich jest to, że ilość informacji, które można zmieścić w folderze, jest proporcjonalna nie do rozmiaru, ale do powierzchni wokół folderu”. Spójna teoria obejmująca tę zasadę może wyjaśniać, w jaki sposób informacja nie jest niszczona, co skutkuje relatywistycznym obiektem, takim jak czarna dziura, podlegającym regułom kwantowym.

„Kiedy próbuje się pogodzić istnienie czarnych dziur z zasadami mechaniki kwantowej, wydaje się to prowadzić do wniosku, że efekty nowej grawitacji kwantowej muszą stać się ważne nie tylko na krótkich dystansach, ale na odległościach zbliżonych do wielkości czarnej dziury. rzeczona dziura – w przypadku największych czarnych dziur, jakie znamy, nasz układ słoneczny jest kilka razy większy od naszego układu słonecznego” – powiedział Giddings.

Zasugerowano, że zasada, która pierwotnie rozpoczęła się od czarnych dziur, została rozszerzona na wszechświat w ogóle – to, co uważamy za naszą trójwymiarową rzeczywistość, ma w pewnym sensie podstawowy dwuwymiarowy opis. To może uczynić jego opis matematyczny bardziej eleganckim i atrakcyjnym.

„Jest to znaczące odejście od właściwości kwantowych teorii pola, które opisują inne siły natury – takie jak elektromagnetyzm i siła silna – i jest cechą grawitacji, która silnie sugeruje, że teoria grawitacji ma zupełnie inną podstawową strukturę” – dodał. . Ta zasadniczo odmienna struktura może być częścią opisu o nowych właściwościach, w którym zachowana jest informacja.

Argument za obserwacją grawitacji kwantowej na większych odległościach wynika z koncepcji, że zderzenia o bardzo wysokich energiach, chociaż znacznie przekraczają to, co udało nam się osiągnąć, zaczynają powodować kwantowe efekty grawitacyjne na coraz większych odległościach.

„Kiedy myśli się o zderzeniach cząstek o bardzo wysokiej energii, nie szuka się już krótszych odległości – jak to było w przypadku dostępnych energii – ale zamiast tego zaczynamy widzieć efekty na większych odległościach, ze względu na fundamentalne właściwości grawitacji, – powiedział Giddings.

Grawitacja kwantowa w pracy
Ostatnie postępy w obserwacjach eksperymentalnych umożliwiły wykrycie i zmierzenie nowych efektów grawitacji, takich jak laserowe obserwatorium fal grawitacyjnych (LIGO) Caltech, interferometr Virgo we Włoszech i detektor fal grawitacyjnych Kamioka (KAGRA) w Japonii. Każdy z tych obiektów jest kierowany w przestrzeń kosmiczną, aby wyczuć fale grawitacyjne pochodzące z ważnych wydarzeń, takich jak łączenie się masywnych ciał niebieskich, takich jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Te, oprócz obserwacji światła z pobliskich czarnych dziur przez Teleskop Event Horizon, mogą być również wrażliwe na efekty kwantowe dalekiego zasięgu. Ponadto wgląd w holografię sugeruje potencjał nowych efektów kwantowych w warunkach laboratoryjnych, a nowsze eksperymenty z interferometrami mogą dostarczyć nowych sposobów ich testowania.

Zadaniem badaczy podczas rozwiązywania podstawowych problemów i zrozumienia aspektów podstawowego opisu grawitacji kwantowej jest opracowanie „efektywnych opisów”, które mogą powiązać teorię z obserwacjami z interferometrów i innych narzędzi.

Giddings wyjaśnił: „W fizyce często byliśmy w sytuacji, w której nie mamy pełnej teorii, ale mamy przybliżony opis, który oddaje niektóre ważne właściwości tej teorii”. „Często te 'skuteczne opisy’ mogą być zaskakująco potężne i prowadzić do głębszego wglądu w bardziej fundamentalną teorię”.

Różnorodna mieszanka tła grupy jest mocną stroną tej współpracy, z dyscyplinami od grawitacji kwantowej po fizykę cząstek elementarnych i teorię strun po fizykę fal grawitacyjnych. Dzięki serii spotkań, które odbędą się w ciągu czterech lat, współpraca będzie rozwijać się od podstawowych zagadnień, takich jak doskonalenie opisu holografii i zrozumienie matematycznej struktury grawitacji, do badania modeli, które mogą opisywać zachowanie, interakcje i obserwowalność. grawitacji kwantowej w celu opracowania specyficznych testów obserwacyjnych z wykorzystaniem interferometrów i obserwowalności czarnych dziur.

Po drodze współpraca będzie się rozwijać, zaczynając od siedmiu głównych członków i dodając stypendystów podoktoranckich i doktorantów, a wreszcie rozszerzając działania o dodatkowych fizyków w celu omówienia wyników współpracy i istotnych osiągnięć teoretycznych z szerszej społeczności.

„Gdybyśmy mogli zaobserwować efekty kwantowe czarnych dziur, byłoby to naprawdę rewolucyjne” – powiedział Giddings. „Potencjalnie pomogłoby to również pokierować rewolucją koncepcyjną w celu pogodzenia mechaniki kwantowej z grawitacją, co, jak się spodziewamy, będzie prawdopodobnie tak głębokie, jak rewolucyjne odkrycie mechaniki kwantowej”.