Vi har all anledning att tro att gravitationen i sig är en kvantteori. Men hur kan vi bevisa detta en gång för alla? Dr. Sabina Nossenfelder, en teoretisk fysiker, en expert på kvanttyngd och fysik med hög energi, talar om detta. Längre från den första personen.
Om du har god syn, kommer de minsta föremål du kan se vara ungefär en tiondel av en millimeter: ungefär bredden på ett mänskligt hår. Lägg till teknik, och den minsta strukturen som vi hittills har kunnat mäta var cirka 10-19 meter, vilket är våglängden för protoner som kolliderar vid LHC. Det tog oss 400 år att gå från det mest primitiva mikroskopet till konstruktionen av LHC - en förbättring av 15 storleksordning under fyra århundraden.
Kvantitetseffekterna av tyngdkraften beräknas bli relevanta vid avståndsskalor på cirka 10-35 meter, känd som Planck-längden. Detta är ytterligare 16 ordningsstorlekar eller en annan faktor på 1016 när det gäller kollisionsenergi. Detta får dig att undra om det är möjligt alls, eller om alla ansträngningar för att försöka hitta en kvantteori om tyngdkraft för alltid kommer att förbli inaktiv fiktion.
Jag är optimist. Vetenskapshistorien är full av människor som trodde att mycket var omöjligt, men i verkligheten visade det sig vara tvärtom: att mäta ljusets böjning i solens gravitationsfält, maskiner tyngre än luft, upptäcka gravitationsvågor. Därför anser jag det inte omöjligt att testa kvanttyngd experimentellt. Det kan ta tiotals eller hundratals år - men om vi fortsätter att gå, kan vi en dag kunna mäta effekterna av kvanttyngd. Inte nödvändigtvis genom att direkt nå de nästa 16 storleksordningarna utan snarare genom indirekt detektion vid lägre energier.
Men ur ingenting föds ingenting. Om vi inte tänker på hur effekterna av kvanttyngd kan manifestera sig och var de kan visas, kommer vi definitivt aldrig att hitta dem. Min optimism drivs av ett växande intresse för fenomenologin för kvanttyngd, ett forskningsområde som ägnas åt att studera hur man bäst ska leta efter manifestationer av kvanttyngdeffekter.
Eftersom ingen konsekvent teori har uppfunnits för kvanttyngd, är nuvarande ansträngningar för att hitta observerbara fenomen fokuserade på att hitta sätt att testa teorinens allmänna särdrag genom att leta efter egenskaper som har hittats i olika metoder för kvanttyngd. Till exempel kvantfluktuationer i rymdtid, eller närvaron av en "minimilängd" som kommer att markera den grundläggande upplösningsgränsen. Sådana effekter kan bestämmas med hjälp av matematiska modeller, och sedan kan styrkan hos dessa möjliga effekter uppskattas och för att förstå vilka experiment som skulle kunna ge bästa resultat.
Testning av kvanttyngd har länge betraktats som räckhåll för experiment, bedömt utifrån uppskattningar, vi behöver en kollider på storleken på Vintergatan för att påskynda protoner tillräckligt för att producera en mätbar mängd gravitationer (kvantat av gravitationsfältet), eller vi behöver en detektor på Jupiters storlek för att mäta gravitoner som föds överallt. Inte omöjligt, men verkligen inte något som borde förväntas inom en snar framtid.
Kampanjvideo:
Sådana argument gäller emellertid endast direkt detektering av gravitationer, och detta är inte det enda manifestationen av effekterna av kvanttyngd. Det finns många andra observerbara konsekvenser som kvanttyngd kan ge upp, av vilka vi redan har letat efter och några som vi planerar att leta efter. Hittills är våra resultat rent negativa. Men även negativa är värdefulla, eftersom de berättar för oss vilka egenskaper teorin vi behöver kanske inte har.
En testbar konsekvens av kvanttyngd, till exempel, kan vara symmetribrytande, grundläggande för speciell och allmän relativitet, känd som Lorentz invariance. Intressant nog är överträdelserna av Lorentz invarians inte nödvändigtvis små, även om de skapas på avstånd som är för små för att observeras. Symmetribrytning, å andra sidan, kommer att sippra genom reaktionerna hos många partiklar vid tillgängliga energier med otrolig precision. Inga bevis för brott mot Lorentz invarians har hittills hittats. Det kan verka sparsamt, men med vetskap om att denna symmetri måste observeras med högsta grad av noggrannhet i kvanttyngd kan du använda detta för att utveckla en teori.
Andra testbara konsekvenser kan vara inom det svaga fältet för kvanttyngd. I det tidiga universum borde kvantfluktuationer i rymdtid ha lett till temperatursvingningar som uppstod i materien. Dessa temperaturfluktuationer observeras idag och är intryckta i bakgrundstrålningen (CMB). Avtrycket av "primära gravitationsvågor" på den kosmiska mikrovågsbakgrunden har ännu inte uppmättts (LIGO är inte tillräckligt känslig för det), men det förväntas ligga inom en till två storleksordningar av den aktuella mätnoggrannheten. Många experimentella samarbeten arbetar för att söka efter denna signal, inklusive BICEP, POLARBEAR och Planck Observatory.
Ett annat sätt att testa den svaga fältgränsen för kvanttyngd är att försöka införa stora föremål i en kvant-superposition: föremål som är mycket tyngre än elementära partiklar. Detta kommer att göra gravitationsfältet starkare och potentiellt testa sitt kvantbeteende. De tyngsta föremål som vi hittills har lyckats binda i en superposition väger ungefär ett nanogram, vilket är flera storleksordningar mindre än det tar för att mäta gravitationen. Men nyligen föreslog en grupp forskare i Wien ett experimentellt schema som skulle göra det möjligt för oss att mäta gravitationsfältet mycket mer exakt än tidigare. Vi närmar oss långsamt kvanttyngdområdet.
(Kom ihåg att det här uttrycket skiljer sig åt astrofysik, där "stark tyngdkraft" ibland används för att hänvisa till något annat, till exempel stora avvikelser från Newtons tyngdkraft som kan hittas nära händelsehorisonter i svart hål.)
De starka effekterna av kvanttyngd kan också lämna ett avtryck (andra än svaga fälteffekter) i CMB (relikstrålning), särskilt i den typ av korrelationer som kan hittas mellan fluktuationer. Det finns olika modeller av strängkosmologi och kvantlyckekosmologi som studerar observerbara konsekvenser och föreslagna experiment som EUCLID, PRISM och sedan WFIRST kan hitta tidiga indikationer.
Det finns en annan intressant idé, baserad på ett nyligen teoretiskt fynd, enligt vilket materiens gravitationella kollaps kanske inte alltid bildar ett svart hål - hela systemet kommer att undvika bildandet av horisonten. Om så är fallet kommer det återstående objektet att ge oss en vy över regionen med kvantgravitationseffekter. Det är dock inte klart vilka signaler vi ska leta efter för att hitta ett sådant objekt, men detta är en lovande sökriktning.
Det finns många idéer. En stor klass av modeller hanterar möjligheten att kvantgravitationseffekter ger rymdtid med egenskaperna hos ett medium. Detta kan leda till lätt spridning, dubbelbrytning, decoherence eller tomrum i rymden. Du kan inte berätta om allt på en gång. Men utan tvekan finns det fortfarande mycket att göra. Sökandet efter bevis för att tyngdkraften verkligen är en kvantkraft har redan börjat.
ILYA KHEL