Гравітація – це величина? Новий досвід дослідження глибин Всесвіту

• Вчені розробляють експеримент, щоб перевірити, чи є гравітація квантовою чи ні
• У квантовій механіці, яка описує поведінку атомів і молекул, речі поводяться інакше, ніж усе, що ми знаємо: вони можуть перебувати в стані квантової суперпозиції, тобто перебувати в двох місцях одночасно.
• Тепер вчені шукають спосіб визначити, чи працює гравітація таким чином, левітуючи крихітні алмази у вакуум
• Якби гравітація була квантовою, алмази були б «заплутані» — цікаве явище, яке сильно з’єднує два об’єкти способами, неможливими в повсякденному житті.
• Це дослідження допоможе зрозуміти чорні діри великий вибухІ всесвіт

Експеримент квантової гравітації

Вчені розробляють експеримент, щоб перевірити, чи є гравітація квантовою, що є одним із найглибших питань про наш Всесвіт.

Загальна теорія відносності та квантова механіка є нашими двома основними описами природи. Загальна теорія відносності пояснює гравітацію у великих масштабах, тоді як квантова механіка пояснює поведінку атомів і молекул.

Проблема об’єднання теорій

Можливо, найважливішою невирішеною проблемою у фундаментальній фізиці є правильний спосіб об’єднати ці дві теорії – визначити, чи діє гравітація на квантовому рівні. Хоча теоретична робота запропонувала багато можливостей, необхідні експерименти, щоб повністю зрозуміти поведінку гравітації.

Лазерний промінь у лабораторії Гевіна Морлі досліджує квантові властивості алмазів. Авторство: Гевін Морлі

Революційний досвід глобального консорціуму

Протягом ста років експерименти щодо квантової природи гравітації здавалися надуманими, але тепер вчені з Університетів Ворвіка, Університетського коледжу Лондона, Єльського університету (США), Північно-Західного (США) та Гронінгенського (Нідерланди) працюватимуть разом, щоб дослідіть цю головоломку. .

Їхня нова ідея полягає в тому, щоб підняти два крихітних діаманта у вакуум і помістити їх у квантову суперпозицію, тобто вони знаходяться в двох місцях одночасно. Ця протиінтуїтивна поведінка є фундаментальною особливістю квантової механіки.

Бачення експерименту професором Морлі

Кожен діамант можна розглядати як зменшену версію кота Шредінгера. Головний дослідник, професор Гевін Морлі, кафедра фізики, Уорікський університетВін пояснює: «Кіт Шредінгера — це мисленнєвий експеримент, який показує, що для повсякденних предметів (і домашніх тварин!) було б справді дивно перебувати в стані квантової суперпозиції, оскільки вони перебували в двох місцях одночасно. Ми хочемо перевірити межі цього ідея».

“Ми успішно помістили атоми та молекули в цей стан суперпозиції, але ми хочемо зробити це з набагато більшими об’єктами. Наші алмази складаються з мільярда або більше атомів. Щоб перевірити квантову природу гравітації, ми повинні шукати взаємодії між двома з цих алмазів через силу тяжіння».

“Якби гравітація була квантовою, вона змогла б сплутати два алмази. Заплутаність — це унікальний квантовий ефект, коли дві речі пов’язані сильніше, ніж це можливо в нашому повсякденному житті. Наприклад, якщо дві монети можуть бути переплутані, ви могли б виявити, що коли ви перевертаєте їх, вони опускаються таким же чином, навіть якщо неможливо знати, чи будуть вони обидва: головами чи решками.

Виклики та наслідки

На шляху до реалізації цієї ідеї ще багато проблем, які команда досліджуватиме під час проекту. «Наприклад, нам потрібно усунути всі взаємодії між наночастинками, окрім сили тяжіння, що дуже важко, оскільки гравітація дуже слабка», — каже д-р Девід Мур з Єльський університет.

Професор Морлі, який є директором-засновником Warwick Quantum, нової міждисциплінарної дослідницької ініціативи квантових технологій, додав: «Для мене найважливішою проблемою у фізиці зараз є розробка експерименту, який може перевірити квантову природу гравітації. Цей новий проект є прискоренням нашої захоплюючої подорожі саме до цього.

Погляди вчених-співпрацівників

Професор Сугато Бозе з Університетського коледжу Лондона прокоментував: “Важко переоцінити, наскільки важливо для фізиків проводити експерименти, які можуть знайти правильний спосіб поєднання квантової механіки та загальної теорії відносності. Люди, які працюють над теоріями квантової гравітації, як-от Теорія струн зазвичай зосереджена на тому, що відбувається при високих енергіях, поблизу чорних дір і під час Великого вибуху.

«Натомість наша робота виконується в режимі низької енергії тут, на Землі, але вона також надасть безцінну інформацію про… чи Гравітація є квантовою. Експеримент також можна вважати перевіркою загального передбачення будь-якої квантової теорії гравітації при низьких енергіях.

Професор Анупам Мазумдар з Університету Гронінгена додає: «На шляху до розуміння квантової природи гравітації ми, можливо, зможемо перевірити інші аспекти фундаментальної фізики, такі як екзотичні відхилення від ньютонівської гравітації на коротких відстанях».

«Це складний експеримент, і цей проект є новаторським у вирішенні деяких ключових технічних проблем, щоб зробити ці випробування квантових аспектів гравітації реальністю», — каже Ендрю Герачі, доцент фізики. Північно-західний університет.

Проект називається «MAST-QG: Макроскопічні суперпозиції до розгляду квантової природи гравітації».