Máme všechny důvody věřit, že gravitace je ve své podstatě kvantovou teorií. Ale jak to dokážeme jednou provždy? Sabina Nossenfelder, teoretická fyzika, odbornice na kvantovou gravitaci a fyziku vysokých energií, o tom mluví. Dále od první osoby.
Pokud máte dobrý zrak, nejmenší předměty, které uvidíte, budou asi desetinu milimetru: o šířce lidských vlasů. Přidejte technologii a nejmenší struktura, kterou jsme byli dosud schopni měřit, byla asi 10-19 metrů, což je vlnová délka protonů narážejících na LHC. Trvalo nám 400 let, než jsme šli od nejprimitivnějšího mikroskopu ke konstrukci LHC - zlepšení o 15 řádů za čtyři století.
Odhaduje se, že kvantové účinky gravitace jsou relevantní ve stupních vzdálenosti asi 10-35 metrů, známých jako Planckova délka. Toto je dalších 16 řádů magnitudové cesty nebo jiný faktor 1016 z hlediska energie srážky. To vás zajímá, zda je to vůbec možné, nebo zda veškeré úsilí ve snaze najít kvantovou teorii gravitace zůstane navždy nečinné fikce.
Jsem optimista. Dějiny vědy jsou plné lidí, kteří si mysleli, že je to hodně nemožné, ale ve skutečnosti se ukázalo, že je to naopak: měřit vychýlení světla v gravitačním poli slunce, stroje těžší než vzduch, detekovat gravitační vlny. Proto nepovažuji za nemožné experimentálně testovat kvantovou gravitaci. Může to trvat desítky nebo stovky let - ale pokud se budeme dál hýbat, mohli bychom jednoho dne měřit účinky kvantové gravitace. Ne nutně přímým dosažením dalších 16 řádů, ale spíše nepřímou detekcí při nižších energiích.
Ale z ničeho se nic nenarodí. Pokud nebudeme přemýšlet o tom, jak se mohou projevit účinky kvantové gravitace a kde se mohou objevit, určitě je nikdy nenajdeme. Můj optimismus je podporován rostoucím zájmem o fenomenologii kvantové gravitace, výzkumné oblasti věnované studiu toho, jak nejlépe hledat projevy kvantové gravitace.
Protože pro kvantovou gravitaci nebyla vynalezena žádná konzistentní teorie, současné úsilí o nalezení pozorovatelných jevů se zaměřuje na nalezení způsobů, jak otestovat obecné rysy teorie, hledáním vlastností, které byly nalezeny v různých přístupech ke kvantové gravitaci. Například, kvantové výkyvy v časoprostoru nebo přítomnost „minimální délky“, která bude označovat základní mez rozlišení. Tyto účinky by mohly být stanoveny pomocí matematických modelů, a pak by mohla být odhadnuta síla těchto možných účinků a pochopeno, které experimenty by mohly přinést nejlepší výsledky.
Testování kvantové gravitace bylo dlouho zvažováno mimo dosah experimentů, soudě podle odhadů, potřebujeme srážku o velikosti Mléčné dráhy, abychom dostatečně urychlili protony, abychom vytvořili měřitelný počet gravitonů (quanta gravitačního pole), nebo potřebujeme detektor o velikosti Jupiteru, aby se měřily gravitony. které se rodí všude. Není to nemožné, ale rozhodně ne něco, co by se mělo očekávat v blízké budoucnosti.
Propagační video:
Tyto argumenty se však týkají pouze přímého odhalování gravitonů, a to není jediný projev účinků kvantové gravitace. Kvantová gravitace může vyvolat mnoho dalších pozorovatelných důsledků, z nichž některé už jsme hledali a některé z nich plánujeme hledat. Dosud jsou naše výsledky čistě negativní. Ale i ty negativní jsou cenné, protože nám říkají, jaké vlastnosti teorie nemusí mít.
Jedním z testovatelných důsledků kvantové gravitace může být například porušení symetrie, zásadní pro speciální a obecnou relativitu, známé jako Lorentzova invariance. Zajímavé je, že porušení Lorentzovy invariance nejsou nutně malá, i když jsou vytvářena na příliš malé vzdálenosti, než aby byly pozorovány. Na druhou stranu, prolomení symetrie bude protékat reakcemi mnoha částic při dostupných energiích s neuvěřitelnou přesností. Dosud nebyly nalezeny žádné důkazy o porušení pravidel Lorentzovy invariance. Může to vypadat řídce, ale s vědomím, že tato symetrie musí být dodržována s nejvyšší mírou přesnosti v kvantové gravitaci, můžete ji použít při vývoji teorie.
Další testovatelné důsledky by mohly být ve slabém poli kvantové gravitace. V časném vesmíru měly kvantové výkyvy v časoprostoru vést k výkyvům teploty v hmotě. Tyto teplotní výkyvy jsou dnes pozorovány a jsou potlačeny v pozadí (CMB). Otisk „primárních gravitačních vln“na pozadí kosmického mikrovlnného záření nebyl dosud změřen (LIGO na to není dostatečně citlivý), ale očekává se, že bude v rozsahu jednoho až dvou řádů velikosti aktuální přesnosti měření. Při hledání tohoto signálu pracuje mnoho experimentálních spoluprací, včetně BICEP, POLARBEAR a Planck Observatory.
Dalším způsobem, jak otestovat limit slabého pole kvantové gravitace, je pokusit se zavést velké objekty do kvantové superpozice: objekty, které jsou mnohem těžší než elementární částice. To posílí gravitační pole a potenciálně otestuje jeho kvantové chování. Nejtěžší předměty, které jsme doposud dokázali spojit do superpozice, váží asi nanogram, což je o několik řádů méně, než vyžaduje měření gravitačního pole. Nedávno však skupina vědců ve Vídni navrhla experimentální schéma, které by nám umožnilo měřit gravitační pole mnohem přesněji než dříve. Pomalu se přibližujeme k rozsahu kvantové gravitace.
(Mějte na paměti, že tento termín se liší v astrofyzice, kde se „silná gravitace“někdy používá k označení něčeho jiného, jako jsou velké odchylky od newtonovské gravitace, které lze nalézt v blízkosti horizontu událostí černé díry.)
Silné účinky kvantové gravitace by také mohly zanechat otisk (jiné než slabé efekty pole) v CMB (reliktní záření), zejména v typu korelací, které lze nalézt mezi výkyvy. Existují různé modely kosmologie strun a kosmologie kvantové smyčky, které studují pozorovatelné důsledky, a navrhované experimenty jako EUCLID, PRISM a WFIRST mohou najít včasné indikace.
Existuje další zajímavá myšlenka, založená na nedávném teoretickém zjištění, podle níž gravitační kolaps hmoty nemusí vždy tvořit černou díru - celý systém se vyhne tvorbě horizontu. Pokud ano, zbývající objekt nám poskytne pohled na region s kvantovými gravitačními účinky. Není však jasné, jaké signály bychom měli hledat, abychom takový objekt našli, ale je to slibný směr hledání.
Existuje spousta nápadů. Velká třída modelů se zabývá možností, že kvantové gravitační efekty dotují časoprostor vlastnosti vlastnosti média. To může vést k rozptylu světla, dvojlomu, dekherenci nebo prázdnému prostoru. Nemůžete říct o všem najednou. Ale bezpochyby je toho ještě mnoho co dělat. Hledání důkazů, že gravitace je skutečně kvantovou silou, již začalo.
ILYA KHEL