Η ασθενέστερη δύναμη της Φύσης, η βαρύτητα, είναι και η πιο σκληρή. Η επιθυμία να κατανοήσουμε τον ασύλληπτο χαρακτήρα της αναδεύει τις πεθαμένες ρίζες της επιστήμης, γεννώντας μερικά από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ανθρώπινης σκέψης. Ταυτόχρονα, η ελάχιστη ισχύς της βαρυτικής αλληλεπίδρασης, σε σύγκριση με όλες τις άλλες δυνάμεις, μας έχει βάλει στην δυσάρεστη κατάσταση να μην μπορούμε προς το παρόν να ερευνήσουμε την τελική της φύση. Το ερώτημα αν η βαρύτητα είναι θεμελιωδώς κλασικό ή κβαντικό πεδίο, ή ίσως μια οντότητα εντελώς διαφορετικού τύπου, παραμένει μέχρι στιγμής αναπάντητο.

Ένα βήμα πιο κοντά στην διερεύνηση της φύσης της βαρύτητας έγινε χάρη σε μια πειραματική πρόταση του Ludovico Lami στο Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ και των συνεργατών του. Το νέο πείραμα που ομοιάζει με εκείνο που πραγματοποίησε ο Henry Cavendish (Χένρι Κάβεντις) το 1798 για την μέτρηση της σταθεράς της παγκόσμιας έλξης (στην πραγματικότητα το πείραμα που πραγματοποίησε με τον ζυγό στρέψης, είχε ως πρωταρχικό στόχο τη μέτρηση της μάζας της Γης). Οι επιστήμονες υποστηρίζουν πως το πείραμα αυτό, αν πραγματοποιηθεί, θα μπορέσει να προσφέρει πληροφορίες σχετικά με το αν η βαρύτητα είναι τελικά κλασικό ή κβαντικό φαινόμενο. Θα ανοίξει λοιπόν το δρόμο στο ερώτημα που τίθεται για την ικανότητα ή μη «συμφιλίωσης» της βαρύτητας με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, μέσω κβαντομηχανικών περιγραφών.

Τα πειράματα που είχαν προταθεί παλαιότερα για τον έλεγχο της «κβαντικότητας» της βαρύτητας επικεντρώνονταν στην κβαντική σύμπλεξη (entanglement) – ένα φαινόμενο της κβαντικής φυσικής που περιγράφει την συσχέτιση μεταξύ δύο σωματιδίων όσο μακριά κι αν βρίσκονται). Αυτά τα πειράματα βασίζονται στη δημιουργία κβαντικών συν-πλεκομένων καταστάσεων μεταξύ μεγάλων (σε μικροσκοπικό επίπεδο) αντικειμένων που τοποθετούνται σε άκρως απεντοπισμένες κβαντικές καταστάσεις. Οι θεωρητικοί προβλέπουν ότι, αν η βαρύτητα είναι εγγενώς κβαντική, η αμοιβαία βαρυτική έλξη μεταξύ των δύο αντικειμένων θα μπορούσε να οδηγήσει σε κβαντική σύμπλεξη (βλέπε: Μια δοκιμή της κβαντικής πλευράς της βαρύτητας). «Το κύριο πρόβλημα με αυτές τις παλαιότερες πειραματικές προτάσεις είναι ότι είναι πολύ δύσκολο να δημιουργηθούν οι κατάλληλες απεντοπισμένες καταστάσεις βαρέων αντικειμένων», λέει ο Lami, ο επικεφαλής ερευνητής της νέας εργασίας. Επιπλέον, η σύμπλεξη είναι απίστευτα εύθραυστη και είναι πολύ δύσκολο να εντοπιστεί.

Η στρατηγική που προτείνεται από τον Lami και τους συνεργάτες του αποφεύγει αυτά τα ζητήματα επειδή δεν απαιτεί την παραγωγή άκρως απεντοπισμένων κβαντικών καταστάσεων ή την δημιουργία και ανίχνευση κβαντικής σύμπλεξης. Το προτεινόμενο πείραμά τους περιλαμβάνει δύο εκκρεμή στρέψης. Τα εκερεμμή έχουν σχήμα αλτήρων, με κάθε άκρο να ζυγίζει λιγότερο από ένα γραμμάριο και να αποτελεί το μισό μιας οπτικής κοιλότητας – το άλλο μισό είναι ένας σταθερός καθρέφτης. Καθώς τα εκκρεμή ταλαντώνονται, αλλάζουν το μέγεθος και επομένως το μήκος κύματος συντονισμού κάθε κοιλότητας. Αυτή η αλλαγή μπορεί να ανιχνευθεί εκπέμποντας φως λέιζερ στις κοιλότητες και στη συνέχεια μετρώντας την ένταση του προκύπτοντος μοτίβου παρεμβολής. Για να διασφαλιστεί ότι η βαρύτητα είναι η κυρίαρχη δύναμη μεταξύ των εκκρεμών, τοποθετείται μια ασπίδα στο μέσον για να απαλείψει τυχόν ηλεκτρομαγνητικές και οπτικές αλληλεπιδράσεις. Επιπλέον, η απόσταση που χωρίζει τα εκκρεμή επιλέγεται προσεκτικά έτσι ώστε η βαρυτική τους έλξη να είναι πάντα πολύ ισχυρότερη από τη δύναμη Casimir μεταξύ των εκρεμμών και της ασπίδας.

Χρησιμοποιώντας τη σύζευξή τους με τις οπτικές κοιλότητες, τα εκκρεμή οδηγούνται πρώτα στη θεμελιώδη τους κατάσταση, στην οποία βρίσκονται σε ηρεμία, και στη συνέχεια τοποθετούνται σε τυχαία επιλεγμένες συνεκτικές καταστάσεις, στις οποίες ταλαντώνονται με ένα καλά καθορισμένο πλάτος. Έτσι, αφήνονται να εξελιχθούν υπό την επίδραση της βαρύτητας για συγκεκριμένο χρόνο. Στο τέλος αυτού του χρόνου υπολογίζονται οι αναμενόμενες καταστάσεις των εκκρεμών, υποθέτοντας ότι η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι κβαντικής φύσης. Στη συνέχεια δίνεται στα εκρεμμή μια μικροσκοπική ώθηση για να επιστρέψουν οι υπολογισμένες καταστάσεις πίσω στη θεμελιώδη κατάσταση. Τέλος, μετά την εφαρμογή αυτής της ώθησης, τα εκκρεμή ελέγχονται για να διαπιστωθεί αν είναι πράγματι στη θεμελιώδη τους κατάσταση. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται πολλές φορές και προσδιορίζεται η πιθανότητα να βρεθούν τα εκκρεμή στη θεμελιώδη τους κατάσταση ακολουθώντας αυτά τα βήματα. Αν αυτή η πιθανότητα υπερβαίνει ένα ανώτερο όριο που υπολογίζεται για την κλασική βαρύτητα, σημαίνει ότι η βαρύτητα δεν είναι κλασική.

Για να υπολογίσει αυτό το ανώτερο όριο, ο Lami λέει ότι «η ομάδα του χρησιμοποίησε και εξέλιξε πολύπλοκους μαθηματικούς μηχανισμούς από την κβαντική θεωρία πληροφοριών, που υπόκεινται σε έλεγχο. Το νέο προτεινόμενο πείραμα είναι ένας εναλλακτικός τρόπος που θα μπορούσε να δείξει οριστικά αν η βαρύτητα είναι τελικά εντελώς κλασική ή κατά κάποιο τρόπο μη κλασική – και επομένως πιθανότατα κβαντική. Αν και δεν ισχυριζόμαστε ότι η μέθοδός μας είναι η καλύτερη από τις άλλες, σίγουρα είναι αρκετά διαφορετική και, ανάλογα με την πειραματική πλατφόρμα, μπορεί να αποδειχθεί πιο εύκολη στην πράξη.»

διαβάστε περισσότερα:
1. Ένα «τύπου-Cavendish» πείραμα αναζητά τη κβαντική ταυτότητα της βαρύτητας – https://www.tovima.gr/2024/06/03/science/ena-typou-cavendish-peirama-anazita-ti-kvantiki-taytotita-tis-varytitas/
2. Testing the quantum nature of gravity without entanglement – https://arxiv.org/abs/2302.03075
3. Quantum Gravity Gets a New Test – https://physics.aps.org/articles/v17/65
4. A Test of Gravity’s Quantum Side – https://physics.aps.org/articles/v10/s138
5. Παρακολουθείστε το βίντεο, Testing quantumness without entanglement (Ludovico Lami):

Κατηγορίες:ΒΑΡΥΤΗΤΑ, ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ

Ετικέτες: PHYSICS