Гравитацията величина ли е? Ново изживяване за изследване на дълбините на Вселената

• Учените разработват експеримент, за да проверят дали гравитацията е квантова или не
• В квантовата механика, която описва поведението на атомите и молекулите, обектите се държат различно от всичко, което познаваме: те могат да бъдат в състояние на квантова суперпозиция, така че да са на две места едновременно.
• Сега учените търсят начин да определят дали гравитацията работи по този начин, като левитират малки диаманти във вакуум
• Ако гравитацията беше квантова, диамантите щяха да бъдат „заплетени“ – интересен феномен, който силно свързва два обекта по начини, които са невъзможни в ежедневието
• Това изследване ще помогне да се разберат черните дупки голямата експлозияИ вселената

Квантов гравитационен експеримент

Учените разработват експеримент, за да проверят дали гравитацията е квантова, един от най-дълбоките въпроси за нашата вселена.

Общата теория на относителността и квантовата механика са нашите две основни описания на природата. Общата теория на относителността обяснява гравитацията в големи мащаби, докато квантовата механика обяснява поведението на атомите и молекулите.

Предизвикателството на обединяването на теориите

Вероятно най-важният нерешен проблем във фундаменталната физика е правилният начин да се комбинират тези две теории – да се определи дали гравитацията действа на квантово ниво. Докато теоретичната работа предлага много възможности, са необходими експерименти, за да се разбере напълно поведението на гравитацията.

Лазерен лъч в лабораторията на Гавин Морли изследва квантовите свойства на диамантите. Кредит: Гавин Морли

Революционен опит от глобалния консорциум

В продължение на сто години експериментите върху квантовата природа на гравитацията изглеждаха пресилени, но сега учени от университетите на Уоруик, Лондонския университетски колеж, Йейл (САЩ), Северозападен (САЩ) и Гронинген (Холандия) ще работят заедно, за да проучете този пъзел. .

Новата им идея е да вдигнат два малки диаманта във вакуум и да ги поставят в квантова суперпозиция на две места едновременно. Това контраинтуитивно поведение е фундаментална характеристика на квантовата механика.

Визията на професор Морли за експеримента

Всеки диамант може да се разглежда като по-малка версия на котката на Шрьодингер. Главен изследовател професор Гавин Морли, Катедра по физика, Университет на УоруикТой обяснява: „Котката на Шрьодингер е мисловен експеримент, който предполага, че би било наистина странно ежедневните предмети (и домашните любимци!) да бъдат в състояние на квантова суперпозиция, така че да бъдат на две места едновременно. Искаме да тестваме границите на тази идея.“

„Ние успешно поставихме атоми и молекули в това състояние на суперпозиция, но искаме да го направим с много по-големи обекти. Нашите диаманти са съставени от милиард или повече атоми. За да тестваме квантовата природа на гравитацията, трябва да търсим взаимодействия между два от тези диаманти поради гравитацията.

„Ако гравитацията беше квантова, тя щеше да може да заплита два диаманта. Заплитането е уникален квантов ефект, при който две неща са свързани по-силно, отколкото е възможно в ежедневието ни. Например, ако две монети могат да бъдат заплетени, може да откриете, че когато ги обърнете, те се спускат по същия начин, дори ако е невъзможно да се знае дали ще бъдат и двете глави или опашки.

Предизвикателства и последици

Все още има много предизвикателства пред реализирането на тази идея, които екипът ще проучи по време на проекта. „Например, трябва да елиминираме всички взаимодействия между наночастиците, различни от гравитацията, което е много трудно, тъй като гравитацията е толкова слаба“, казва д-р Дейвид Мур от Йейлския университет.

Професор Морли, който е директор-основател на Warwick Quantum, нова мултидисциплинарна инициатива за изследване на квантовата технология, добави: „За мен най-важният проблем във физиката в момента е разработването на експеримент, който може да тества квантовата природа на гравитацията. Този нов проект е ускоряване на нашето вълнуващо пътуване точно към това.

Гледни точки от сътрудничещи учени

Професор Sugato Bose от University College London коментира: „Трудно е да се надценява колко е важно за физиците да провеждат експерименти, които могат да открият правилния начин за комбиниране на квантовата механика и общата теория на относителността. Хората, работещи върху теории за квантовата гравитация, като напр. струнната теория, обикновено се фокусират върху това, което се случва при високи енергии, близо до черни дупки и при големия взрив.

„За разлика от това, нашата работа се извършва в нискоенергиен режим тук на Земята, но също така ще предостави безценна информация за… дали Гравитацията е квантова. Експериментът може също да се счита за проверка на общата прогноза на всяка квантова теория за гравитацията при ниски енергии.

Професор Анупам Мазумдар от университета в Гронинген добавя: „По пътя към разбирането на квантовата природа на гравитацията може да сме в състояние да тестваме други аспекти на фундаменталната физика, като екзотични отклонения от нютоновата гравитация на къси разстояния.“

„Това е предизвикателен експеримент и този проект е новаторски в справянето с някои от ключовите технически предизвикателства за превръщането на тези тестове на квантовите аспекти на гравитацията в реалност“, казва Андрю Герачи, доцент по физика. Северозападен университет.

Проектът се нарича „MAST-QG: Макроскопични суперпозиции към разглеждане на квантовата природа на гравитацията“.