Fyzici navrhují experiment stolního počítače k ​​testování gravitační kvantumness

Obecná relativita a kvantová mechanika jsou dvě velmi úspěšné teorie. Bývalý vysvětluje gravitaci a posledně jmenovaný se spojí se zvláštní relativitou k popisu Další tři přírodní síly: Elektromagnetické, silné jaderné a slabé jaderné síly.

Vědci však nevědí, jak se gravitace hodí do kvantové mechaniky. Ve skutečnosti navrhují experimenty, které mohou testovat kvantitu gravitace. 29. října 2024, jeden takový návrh objevil se v časopiseFyzikální kontrolní dopisy.

S pojmy, jako je superpozice, ilustrovaný experimentem Schrödingerovy kočky a zapletení, kvantová mechanika vzdoruje klasické intuici. Kvantová mechanika také umožňuje zdánlivě absurdní jevy, např. Měření kvantového systému (jako částice) může způsobit, že systém okamžitě „kolaps“ do jednoho možného stavu, který systém popsal před měřením.

Ve skutečnosti, pokud systém podstoupí kolaps vyvolaný měřením, říká se, že žije podle pravidel kvantové mechaniky. Klasické systémy, jako jsou planety obíhající hvězdy, kriketové koule létající ve vzduchu a auta na silnici, to nedělají.

Vyloučení alternativ

Několik experimentů zjistilo, že jak kvantová mechanika, tak obecná relativita jsou legitimní teorie přírody – přesto zůstávají mezi sebou nekompatibilní. To povzbudilo fyziky, aby se pokusili přijít s větší teorií, která může pojmout oba. Jedním silným uchazečem je teorie strun, další je kvantová gravitace smyčky. Oba předpovídají odchylky od kvantové mechaniky a obecné relativity buď na začátku vesmíru nebo uvnitř černých děr, což znamená, že je téměř nemožné testovat.

„Doposud jsou experimentální testy nesmírně obtížné – situace vypadá velmi bezútěšná – není jasné, zda to může být vůbec,“ řekl Dipankarský domov Bose Institute, Kolkata a jeden z autorů nové práce.

Abychom zkontrolovali, zda je gravitace kvantová mechanická, vědci potřebují přesné testy, které vylučují alternativní možnosti.

Na rozdíl od klasické newtonovské mechaniky, kde jej měření systému nezmění, kvantová mechanika diktuje, že pozorování systému ho nutí do určitého stavu. Nejedná se o to, jak pečlivě fyzik měří. Měření vždy zhroutí stav. Takže měření stavu versus neměření jeho vytváří způsob, jak otestovat, zda se systém chová podle zákonů newtonovské mechaniky nebo kvantové mechaniky.

Jako první krok fyzici uvedli, že potřebují experiment, kde gravitace pomáhá přirozeně kvantový mechanický proces. Pokud gravitace způsobí kolaps stavu, bude to známka toho, že gravitace se chová kvantově mechanicky.

Nová studie navrhla následující návrh: Testovací hmota je v superpozici dvou možných cest, které může podniknout. Hmota sondy s ní bude gravitačně interagovat, aby ji přinutila zvolit jednu z cest. Zde jsou obě masy v superpozici, které cesty se vydávají. Tyto dvě cesty se přibližují, což má za následek různé vzdálenosti mezi dvěma páry cest. To znamená, že pro každou cestu testovací hmoty existují dvě možné cesty, které může hmotnost sondy probíhat.

„Takové jednoduché, přesto nové návrhy … jsou pro komunitu velmi zajímavé,“ řekl Sreenath K. Manikandan, teoretický fyzik v severském institutu pro teoretickou fyziku, Švédsko, které se do studie nezúčastnilo.

Testování slabé gravitace

Myšlenka je také zajímavá, protože navrhuje otestovat slabou gravitaci. Řekněme, že provádíte experiment, kde hledáte světlo. Pokud je světlo jasné, najdete ho pouhým pohledem na to. Ale pokud je to velmi matné, potřebujete sofistikované kamery detekující světlo. Podobně i nápady hledat kvantovou gravitaci dosud zahrnovaly silnou gravitaci, jako je ta poblíž černých děr, zatímco nový test navrhuje hledat slabou gravitaci, jako je síla poblíž malého objektu.

„Naším tvrzením je, že v tomto limitu mohou přetrvávat základní kvantové gravitační rysy,“ řekl Home.

Igor Pikovski, výzkumný pracovník kvantové gravitace na Stevens Institute of Technology a Stockholm University, ocenil toto: „Důležitou lekcí je, že kvantová gravitační podpisy se mohou ukázat i… v sestavách stolních a nejen ve scénářích sci-fi.“

Nezávislí odborníci však uvedli, že experiment je stále náročný, protože masy se musí chovat mechanicky.

Kvantové vlastnosti se obvykle objevují měřitelným způsobem v systémech, které existují v menším než mikroskopické stupnici, jako je uvnitř atomů, zatímco gravitace se snáze měří kolem větších objektů, jako je budova.

To je důvod, proč Vivisk Sudhir z technologického institutu Massachusetts řekl: „Příprava prostorové kvantové superpozice objektu dostatečně masivní tak, že jeho gravitační síla je také měřitelná, je také obrovskou experimentální výzvou.“

Vytvoření superpozice

Bose et al. navrhli použití hmot vážících asi jednu biliontu gramu při zachování oddělení asi jedné desetiny milimetru. Nanokrystaly splňují tato kritéria.

Přesto tým stále odhaduje deset let, aby byl jejich experiment proveden. Doposud „Největší objekty, které byly umístěny na dvou místech najednou, jsou makromolekuly. Budeme muset umístit nanokrystal, který je miliardakrát větší, na dvou místech najednou, “řekl Sougato Bose, jeden ze spoluautorů studie.

„Vytvoření této superpozice je zdaleka hlavní výzvou,“ dodal Debarshi Das, další spoluautor.

Za tímto účelem autoři navrhli pomocí kvantové vlastnosti nanokrystalů zvaných spin. Jednoduše řečeno, spin ovlivňuje pohyb nanokrystalů (a může být manipulován vnějším magnetickým polem). Otočení každého nanokrystalu existuje v superpozici dvou stavů, dokud se měří. Protože stát ovlivňuje cestu nanokrystalu, existuje také v superpozici dvou cest až do měření.

„Jakmile bude připraveno v takovém stavu, bude nutné měřit gravitační pole produkované touto konfigurací velmi rychle,“ tvrdí Sudhir. „Je to proto, že jakákoli prostorová kvantová superpozice bude extrémně křehká a rychle zemře, (takže) musí být měření musí být provedena, než k tomu dojde.“

Bose také uvedl, že nanokrystaly se mohou srazit s atomy plynu a dalšími předměty a silami v jejich prostředí, které by mohly zničit superpozici. „To by mohlo zahrnovat věci jako gravitační síly ze seismické činnosti na Zemi nebo možná i ty kvůli mrakům pohybujícím se na obloze,“ řekl Sudhir.

Z těchto důvodů bude muset dojít k experimentálnímu nastavení v téměř dokonalém vakuu a vlastnosti hmotností budou muset být měřeny s extrémní účinností.

Otevřená mysl

Navzdory všem těmto výzvám jsou fyzici nadějní. Navrhovaný test má mnohem kratší časovou osu než staletí potřebná pro to, aby lidstvo vyvinulo technologie pro testování kvantové gravitace poblíž černých děr.

Pikovski souhlasil, že budoucnost je jasná: „Jen před několika lety bylo považováno za nemožné experimentálně testovat kvantovou gravitaci i v zásadě.“

Odborníci také uvedli, že test může odhalit gravitaci, není klasická síla a že celkově si budou muset udržet otevřenou mysl: nemusí to nutně znamenat gravitaci, ale že by to mohlo být neklasický a nekvant. Entita, něco úplně jiného.

Debdutta Paul je novinářka na volné noze.