Fisica hanno trovato il modo di vedere il «sorriso» della gravità quantistica

Nel 1935, quando la meccanica quantistica e la teoria generale della relatività di Einstein erano molto giovani, non molto noto il fisico sovietico Matteo Bronstein, essendo in età di 28 anni, ha fatto un primo studio dettagliato sul tema del coordinamento di queste due teorie in teoria quantistica della gravità. Questa, «forse, la teoria di tutto il mondo in generale», come ha scritto Bronstein, potrebbe soppiantare classica эйнштейново descrizione di gravità, in cui si vede curve nel continuum spazio-temporale, e riscrivere il suo quantum la lingua, come per tutto il resto della fisica.

Bronstein ha capito come descrivere la gravità in termini di particelle quantistiche, ora chiamati гравитонами, ma solo quando la forza di gravità è debole — che è (in teoria generale della relatività) quando lo spazio-tempo è così poco curvo, che è sostanzialmente piatto. Quando la gravità è forte, «la situazione è completamente diversa», ha scritto lo scienziato. «Senza una profonda revisione di concetti classici, sembra quasi impossibile immaginare una teoria quantistica della gravità e in questo campo».

Le Sue parole sono state profetiche. Ottanta tre anni più tardi, fisica ancora cercando di capire come spazio-temporale curvatura si manifesta in macroscopiche scala, emergenti da più fondamentale e presumibilmente quantistica dipinti di gravità; forse questo è il più profondo domanda in fisica. Forse, se ci fosse l'occasione, testa leggera Бронштейна ha accelerato il processo di ricerca. Oltre la gravità quantistica, ha fatto anche il contributo in astrofisica e cosmologia, la teoria dei semiconduttori, quantistica электродинамику e ha scritto diversi libri per bambini. Nel 1938 passò sotto la repressione di stalin e fu giustiziato all'età di 31 anni.

Ricerca completo di teoria della gravità quantistica è complicata dal fatto che la proprietà quantistiche di gravità non si manifestano nell'esperienza reale. La fisica non si vedono, come rotto эйнштейново descrizione liscio continuum spazio-temporale, o бронштейново l'approccio quantistico in leggermente curvo.

Il Problema è di estrema debolezza forza gravitazionale. Mentre quantizzate le particelle che trasmettono forti, debole e la forza elettromagnetica, sono così forti che legano strettamente la materia in atomi e possono essere studiati letteralmente sotto la lente d'ingrandimento, gravitoni singolarmente così deboli, che i laboratori non c'è alcuna possibilità di trovare loro. Per prendere il gravitone, con alta probabilità, rivelatore di particelle deve essere così grande e massiccia, che collassa in un buco nero. Questa debolezza spiega perché ha bisogno astronomico di accumulo delle masse, per esercitare un'influenza su altri massiccia del corpo per mezzo di gravità, e perché vediamo gli effetti gravitazionali su vasta scala.

Non È tutto. L'universo sembra essere sottoposti a una sorta di spazio censura: zona con una forte gravità — uno spazio-temporali curve così taglienti che le equazioni di Einstein danno errore, e deve essere divulgati natura quantistica della gravitazione e spazio-tempo — sempre che si nascondono dietro orizzonti buchi neri.

«Anche un paio di anni fa è stato un consenso generale, che, molto probabilmente, misurare la quantizzazione del campo gravitazionale in alcun modo possibile», dice Igor Pikovsky, fisico teorico dell'università di Harvard.

E qui ci sono alcuni recentemente pubblicati su Physical Review Letters articoli cambiato la situazione. In queste opere è fatto una dichiarazione che raggiungere la gravità quantistica può essere possibile — anche non sapendo nulla di lei. Il lavoro, scritto Сугато Bose dell'University college di Londra e Chiara Марлетто e Влатко Ведралом dell'università di Oxford, offrono tecnicamente complesso, ma fattibile esperimento, che potrebbe confermare che la gravità quantistica è potere, come tutti gli altri, che non richiedono il rilevamento гравитона. Miles Бленкоу, un fisico quantistico del Dartmouth college, non era stato coinvolto in questo lavoro, dice che tale esperimento potuto rilevare un chiaro segno invisibile della gravità quantistica — «il sorriso del Gatto del Cheshire».

L'esperimento Proposto determina se due oggetti — un gruppo di Bose prevede di utilizzare un paio di микроалмазов — diventare quantistica meccanica impigliato tra di loro in un processo di reciproca attrazione gravitazionale. La partecipazione è un fenomeno quantistico, in cui le particelle diventano inseparabilmente torti, la condivisione di un unico descrizione fisica, che determina il loro possibili vasca da stato. (La coesistenza di diversi stati possibili chiamato «sovrapposizione» e definisce un sistema quantistico). Ad esempio, una coppia di particelle entangled può esistere in sovrapposizione, in cui la particella E sarà con il 50% di probabilità di rotazione (spin) dal basso verso l'alto, e la B — dall'alto verso il basso, e con il 50% di probabilità viceversa. Nessuno sa in anticipo quale sarà il risultato che si ottiene quando si misura la direzione di rotazione delle particelle, ma si può essere sicuri che sarà lo stesso.

Gli Autori sostengono che i due oggetti nella proposta di esperimento possono impigliarsi in questo modo solo se la forza che agisce tra di loro, in questo caso la gravità sarà quantum interazione mediata гравитонами, che possono mantenere la sovrapposizione quantistica. «Se sarà condotto un esperimento e sarà ottenuta la partecipazione, secondo il lavoro, si può concludere che la gravità è quantizzata», ha spiegato Бленкоу.

Confondere diamante

La gravita ' Quantistica è così impercettibile che alcuni studiosi hanno messo in dubbio la sual'esistenza di. Il famoso matematico e fisico Freeman Dyson, che ha 94 anni, dal 2001 sostiene che l'universo può mantenere una sorta di “dualista” descrizione, in cui «il campo gravitazionale, descritto dalla teoria generale della relatività di Einstein, è puramente classico campo senza alcun tipo di comportamento quantistico», con tutto il materiale in questo elegante continuum spazio-temporale sarà quantizzato le particelle che obbediscono alle regole di probabilità.

Dyson, che ha contribuito a sviluppare quantistica электродинамику (teoria delle interazioni tra materia e luce) ed è professore onorario dell'Istituto di studi avanzati di Princeton, New Jersey, non ritiene che la gravita ' quantistica è necessaria per descrivere irraggiungibili sottosuolo buchi neri. E crede anche che l'individuazione di un ipotetico гравитона può essere impossibile in linea di principio. In questo caso, dice, la gravita ' quantistica è metafisica, e non fisica.

Non È l'unico scettico. Il famoso fisico inglese sir Roger Penrose e scienziato ungherese Ладжос Диоси indipendentemente assunto che lo spazio-tempo non può sostenere di sovrapposizione. Essi ritengono che la sua liscia, solida, fondamentalmente classica natura lascia piegare in due modi possibili allo stesso tempo — ed è questa la rigidità porta al collasso суперпозиций sistemi quantistici gli elettroni e fotoni. “Gravitazionale decoerenza”, secondo loro, consente accadere unico, solido, classico realtà che si può sentire in macroscopiche scala.

La Possibilità di trovare un “sorriso” della gravità quantistica, apparentemente, confuta l'argomento di Dyson. Anche lei uccide la teoria gravitazionale di decoerenza, mostrando che la gravità e spazio-tempo davvero sostenere di sovrapposizione quantistica.

Offerte Bose e Марлетто apparso contemporaneamente e assolutamente per caso, anche se gli esperti sottolineano che riflettono lo spirito del tempo. Laboratorio sperimentale di fisica quantistica in tutto il mondo mettono sempre più grandi oggetti microscopici in sovrapposizione quantistica e ottimizzare i protocolli di prova della partecipazione di due sistemi quantistici. L'esperimento proposto dovrà unire queste procedure, pur richiedendo di migliorare ulteriormente la portata e sensibilità; forse ci vorranno dieci anni. «Ma il fisico lo stallo non», dice Pikovsky, che esplora anche come esperimenti di laboratorio potrebbe sondare gravità del fenomeno. «Credo che sia difficile, ma non impossibile».

Questo piano più dettagliato nel lavoro di Bose e collaboratori undici esperti di Ocean per le diverse fasi di offerte. Ad esempio, nel suo laboratorio presso l'Università di Warwick, uno dei co-author Gavin Morley funziona sopra il primo passo, cercando di mettere микроалмаз in sovrapposizione quantistica in due punti. Per questo è racchiuso in un atomo di azoto in микроалмазе, accanto ad una vacanza in una struttura di diamante (il cosiddetto NV-centro, o di azoto-alchildiol posto vacante in diamante), e carica il suo impulso a microonde. Un elettrone che ruota intorno NV-centro, contemporaneamente e assorbe la luce, e no, e il sistema va in sovrapposizione quantistica due direzioni spin — su e giù — come big bud, che con una certa probabilità ruota in senso orario e con una certa — contro. Микроалмаз scaricato questo giro di sovrapposizione, è esposto ad un campo magnetico, che fa sì che il top spin spostare a sinistra, e in basso a destra. Il diamante stesso si divide in una sovrapposizione di due traiettorie.

In piena esperimento, gli scienziati devono fare tutto questo con due diamanti — il rosso e il blu, per esempio — si trovano accanto a сверххолодном vuoto. Quando la trappola, un multiplo di loro, si spegne, due микроалмаза, ognuno in una sovrapposizione di due stati, sono caduta verticale nel vuoto. Come la caduta di diamanti saranno percepire la gravità di ciascuno di essi. Quanto forte sarà la loro attrazione gravitazionale?

Se la gravità è quantizzato l'interazione, la risposta è: dipende da che cosa. Ogni componente di sovrapposizione blu diamante sperimenterà più forte o più debole attrazione al rosso diamante, a seconda che si tratti di quest'ultimo nel ramo di sovrapposizione, che è più vicino o più lontano. E la gravità, che si sente ogni componente sovrapposizione di diamante rosso, allo stesso modo, dipende dallo stato di diamante blu scuro.

In ogni caso diversi gradi di attrazione gravitazionale influisce sulla evoluzione componenti суперпозиций diamanti. Due diamanti diventano interdipendenti, perché il loro stato sarà possibile solo in combinazione — se questo significa che — quindi, in definitiva, la direzione di giri dei due sistemi NV-centri saranno correlati.

Dopo che микроалмазы cadrà fianco a fianco per tre secondi, è sufficiente, per confondersi in гравитациях, — passeranno attraverso un altro campo magnetico, che di nuovo combinerà i rami di ogni sovrapposizione. L'ultimo passo dell'esperimento — il protocollo di «addled conoscenza» (entanglement witness), progettato danese fisico Barbara Терал ed altri: blu e rosso diamanti sono diversi dispositivi che misurano la direzione di rotazione sistemi NV-centri. (Misura porta al collasso суперпозиций in determinate condizioni). Quindi due risultati vengono mappati. Scorrendo l'esperimento di nuovo e di nuovo e confrontando le diverse coppie di dimensioni schiena, gli scienziati possono determinare se la schiena di due sistemi quantistici sono stati correlatitra di loro più spesso, che determina il limite superiore per gli oggetti che non sono quantistica meccanica confuse. Se è così, la gravità è veramente aggroviglia diamanti e può mantenere sovrapposizione.

«la Cosa interessante di questo esperimento, è che non hai bisogno di sapere che cosa è la teoria quantistica», dice Бленкоу. «Tutto ciò che serve è quello di affermare che c'è un aspetto quantistico in questo campo, che опосредован forza tra due particelle».

Difficoltà Tecniche — peso. Il più grande oggetto, che sono stati collocati in una sovrapposizione di due posizioni prima di questo, era un 800-atomica della molecola. Ogni микроалмаз contiene più di 100 miliardi di atomi di carbonio — questo è sufficiente per accumulare tangibile la forza gravitazionale. Disimballaggio la sua meccanica quantistica natura richiedono basse temperature, profondo vuoto e un controllo preciso. «Molto lavoro è in configurazione originale di sovrapposizione e di avvio», dice Peter Barker, membro sperimentale di una squadra che migliora i metodi di raffreddamento laser e la cattura di микроалмазов. Se questo potrebbe essere fatto con un diamante, aggiunge Bose«, il secondo non sarà un problema».

L'unicità di gravità?

I Ricercatori della gravità quantistica non dubitano che la gravita ' quantistica interazione, capace di causare confusione. Naturalmente, la gravità è qualcosa di unico, e c'è ancora molto da imparare circa l'origine dello spazio e del tempo, ma la meccanica quantistica deve essere coinvolta, dicono gli scienziati. «Beh, la verità è, che senso ha, in teoria, in cui la maggior parte della fisica quantistica e la gravità classica», dice Daniel Harlow, ricercatore della gravità quantistica a MIT. Teorico gli argomenti contro misti quantistica modelli classici molto forti (anche se non innegabili).

D'altra parte, i teorici erano sbagliate e prima. «Se è possibile verificare, perché no? Se questo fara ' stare queste persone, che mettono in questione квантовость gravità, sarebbe fantastico», ha detto Harlow.

Dopo aver Letto il lavoro, Dyson ha scritto: «la Proposta di un esperimento sicuramente è di grande interesse e richiede lo svolgimento in condizioni di vera di un sistema quantistico». Tuttavia, egli osserva che la direzione del pensiero degli autori sul quantum campi diversi. «Mi è chiaro se questo esperimento risolvere il problema dell'esistenza della gravità quantistica. La domanda che mi sono posto — vedendo se separato gravitone è un'altra questione, e si può avere una risposta diversa».

La linea di pensiero di Bose, Марлетто e i loro colleghi di quantizzazione della gravità deriva da opere Бронштейна ancora nel 1935. (Dyson chiamato il lavoro Бронштейна «bel lavoro», che non ha visto prima). In particolare, Bronstein ha mostrato che la debole gravità, рождаемая piccola massa, può essere approssimata dalla legge della gravitazione di Newton. (È la forza che agisce tra суперпозициями микроалмазов). Secondo Бленкоу, calcoli debole quantizzazione della gravità particolare, non sono stati eseguiti, anche se sicuramente sono più rilevanti, come la fisica dei buchi neri o il Big Bang. Si spera che il nuovo sperimentale proposta di indurre teorici alla ricerca di sottili raffinatezze a ньютоновскому un'approssimazione, che i futuri giochi da tavolo esperimenti potrebbe provare a controllare.

Leonard Susskind, noto teorico della gravità quantistica e delle stringhe all'università di Stanford, ha visto il valore della proposta di esperimento, perché «si prevede di sorveglianza di gravità in una nuova gamma di masse e distanze». Ma lui e altri ricercatori hanno sottolineato che микроалмазы non possono rivelare nulla circa la teoria della gravità quantistica o dello spazio-tempo. Lui e i suoi colleghi vorrebbero capire cosa sta succedendo nel centro di un buco nero e nel momento del Big Bang.

Forse, una delle punte a quello, perché quantizzare la gravità è così più pesante di tutto il resto, sta nel fatto che altre forze della natura hanno la cosiddetta “локальностью”: la meccanica quantistica in una zona del campo (i fotoni in un campo elettromagnetico, ad esempio) «sono indipendenti da altre entità fisiche in un'altra zona dello spazio», dice Mark van Раамсдонк, teorico della gravità quantistica della University of British Columbia. «Ma ci sono molti teorici prova che la gravità non funziona così».

Nei migliori clessidra modelli della gravità quantistica (con semplificati spazio-temporali geometrie) è impossibile supporre che il nastro spazio-temporale tessuto è diviso in indipendenti tridimensionale pezzi, dice wang Раамсдонк. Invece la moderna teoria suggerisce che sottostanti, sono elementi fondamentali di spazio di «sono organizzati piuttosto двумерно». Il tessuto dello spazio-tempo può essere come un ologramma o un videogioco. «Anche se l'immagine трехмерна, le informazioni sono memorizzate sul bidimensionale un chip di computer». In questo caso, il mondo tridimensionale sarà иллюзей nel senso che le varie parti non sono così indipendenti. In analogia con i videogame, un paio di battute in bidimensionale chip possono codificare le funzioni globali intero universo di gioco.

E questa differenza ha un valore, quando si sta cercando di creare una teoria quantistica della gravità. L'approccio convenzionale alla quantizzate qualcosa è quello di determinare le sue parti indipendenti — particelle, ad esempio, — e poi viene applicata la meccanica quantistica. Ma se non si definiscono i giusti componenti, è possibile ottenere gli errori da incorretta equazioni. Diretta quantizzazione dello spazio tridimensionale, che voleva fare Bronstein, funzionain una certa misura con debole forza di gravità, ma è inutile, quando lo spazio-tempo forte è curvo.

Alcuni esperti dicono che la certificazione “sorriso” della gravità quantistica può portare a motivare questo tipo di ragionamento astratto. Alla fine, anche i più forti argomenti teorici dell'esistenza della gravità quantistica non sono supportati i fatti sperimentali. Quando wang Раамсдонк spiega i suoi studi sul colloquio di scienziati, dice, di solito si inizia con la storia che la gravità è necessario ripensare con la meccanica quantistica, perché la classica descrizione dello spazio-tempo si rompe su buchi neri e Grande Esplosione.

«Ma se effettuare questo semplice esperimento e mostrare che il campo gravitazionale è stato in sovrapposizione, il fallimento di una classica descrizione diventerà evidente. Perché sarà un esperimento, il che implica che la gravità quantistica».

Per i Quanta Magazine