Kita mempunyai setiap alasan untuk percaya bahawa graviti sememangnya teori kuantum. Tetapi bagaimana kita dapat membuktikannya sekali dan selamanya? Dr. Sabina Nossenfelder, seorang ahli fizik teori, pakar dalam graviti kuantum dan fizik tenaga tinggi, membincangkan perkara ini. Lebih jauh dari orang pertama.
Sekiranya anda mempunyai penglihatan yang baik, objek terkecil yang dapat anda lihat adalah sekitar sepersepuluh milimeter: selebar rambut manusia. Tambah teknologi, dan struktur terkecil yang dapat kita ukur sejauh ini adalah sekitar 10-19 meter, yang merupakan panjang gelombang proton yang bertabrakan di LHC. Kami mengambil masa 400 tahun untuk pergi dari mikroskop paling primitif ke pembinaan LHC - peningkatan 15 susunan magnitud selama empat abad.
Kesan graviti kuantum diperkirakan menjadi relevan pada skala jarak sekitar 10-35 meter, yang dikenali sebagai panjang Planck. Ini adalah 16 arah jalur magnitud atau faktor 1016 lain dari segi tenaga perlanggaran. Ini membuat anda tertanya-tanya apakah ini mungkin sama sekali, atau jika semua usaha untuk mencari teori kuantiti graviti akan kekal sebagai fiksyen terbiar.
Saya seorang yang optimis. Sejarah sains penuh dengan orang-orang yang menyangka banyak yang mustahil, tetapi pada kenyataannya ternyata sebaliknya: mengukur pesongan cahaya di medan graviti matahari, mesin lebih berat daripada udara, mengesan gelombang graviti. Oleh itu, saya tidak menganggap mustahil untuk menguji graviti kuantum. Mungkin memerlukan masa puluhan atau ratusan tahun - tetapi jika kita terus bergerak, suatu hari kita mungkin dapat mengukur kesan graviti kuantum. Tidak semestinya dengan langsung mencapai 16 susunan besar seterusnya, melainkan dengan pengesanan tidak langsung pada tenaga yang lebih rendah.
Tetapi dari apa-apa, tidak ada yang dilahirkan. Sekiranya kita tidak memikirkan bagaimana kesan graviti kuantum dapat menampakkan diri dan di mana ia mungkin muncul, kita pasti tidak akan menjumpainya. Optimisme saya didorong oleh minat yang semakin meningkat terhadap fenomenologi gravitasi kuantum, kawasan penyelidikan yang dikhaskan untuk kajian bagaimana cara terbaik untuk mencari manifestasi kesan graviti kuantum.
Oleh kerana tidak ada teori konsisten yang diciptakan untuk graviti kuantum, usaha semasa untuk mencari fenomena yang dapat dilihat difokuskan pada mencari cara untuk menguji ciri umum teori, dengan mencari sifat yang telah dijumpai dalam beberapa pendekatan yang berbeza untuk graviti kuantum. Contohnya, turun naik kuantum dalam jangka masa, atau adanya "panjang minimum" yang akan menandakan had asas resolusi. Kesan seperti itu dapat ditentukan dengan menggunakan model matematik, dan kemudian kekuatan kesan yang mungkin dapat diperkirakan dan untuk memahami eksperimen mana yang dapat memberikan hasil yang terbaik.
Menguji graviti kuantum telah lama dianggap tidak dapat dicapai dari eksperimen, berdasarkan anggaran, kita memerlukan collider ukuran Bima Sakti untuk mempercepat proton yang cukup untuk menghasilkan jumlah graviton yang dapat diukur (quanta medan graviti), atau kita memerlukan pengesan ukuran Musytari untuk mengukur graviton yang dilahirkan di mana-mana sahaja. Tidak mustahil, tetapi pastinya bukan sesuatu yang diharapkan dalam masa terdekat.
Video promosi:
Bagaimanapun, hujah-hujah tersebut hanya menyangkut pengesanan graviton secara langsung, dan ini bukan satu-satunya manifestasi kesan gravitasi kuantum. Terdapat banyak akibat lain yang dapat dilihat oleh gravitasi kuantum, ada yang telah kita cari dan ada yang ingin kita cari. Setakat ini, hasil kami adalah negatif. Tetapi yang negatif sangat berharga, kerana mereka memberitahu kita apa sifat teori yang mungkin kita tidak ada.
Salah satu konsekuensi yang dapat diuji dari gravitasi kuantum, misalnya, mungkin pecahan simetri, asas bagi relativiti khas dan umum, yang dikenali sebagai invarian Lorentz. Menariknya, pelanggaran invarian Lorentz tidak semestinya kecil, bahkan jika diciptakan pada jarak yang terlalu kecil untuk diperhatikan. Sebaliknya, pecah simetri akan meresapi reaksi banyak zarah pada tenaga yang ada dengan ketepatan yang luar biasa. Belum ada bukti pelanggaran invarian Lorentz. Mungkin kelihatan jarang, tetapi mengetahui bahawa simetri ini mesti dipatuhi dengan tahap ketepatan tertinggi dalam graviti kuantum, anda dapat menggunakannya dalam mengembangkan teori.
Konsekuensi lain yang dapat diuji adalah dalam bidang gravitasi kuantum yang lemah. Pada awal Alam Semesta, fluktuasi kuantum dalam ruang-waktu seharusnya menyebabkan turun naik suhu yang timbul dalam jirim. Turun naik suhu ini diperhatikan hari ini, dicantumkan dalam sinaran latar belakang (CMB). Kesan "gelombang graviti primer" pada latar belakang gelombang mikro kosmik belum diukur (LIGO tidak cukup sensitif untuk itu), tetapi dijangka berada dalam satu hingga dua urutan besarnya ketepatan pengukuran semasa. Banyak kolaborasi eksperimen sedang berusaha mencari isyarat ini, termasuk BICEP, POLARBEAR dan Planck Observatory.
Cara lain untuk menguji had medan graviti kuantum yang lemah adalah dengan mencuba memasukkan objek besar ke dalam superposisi kuantum: objek yang jauh lebih berat daripada zarah unsur. Ini akan menjadikan medan graviti lebih kuat dan berpotensi menguji tingkah laku kuantumnya. Objek paling berat yang sejauh ini berjaya kita kaitkan dengan superposisi seberat kira-kira satu nanogram, yang berukuran beberapa pesanan lebih kecil daripada yang diperlukan untuk mengukur medan graviti. Tetapi baru-baru ini sekumpulan saintis di Vienna mencadangkan skema eksperimen yang akan membolehkan kita mengukur medan graviti dengan lebih tepat daripada sebelumnya. Kami perlahan-lahan menghampiri julat graviti kuantum.
(Perlu diingat bahawa istilah ini berbeza dalam astrofizik, di mana "gravitasi kuat" kadang-kadang digunakan untuk merujuk kepada sesuatu yang lain, seperti penyimpangan besar dari graviti Newton yang dapat dijumpai di dekat cakrawala peristiwa lubang hitam.)
Kesan kuat dari graviti kuantum juga dapat meninggalkan jejak (selain kesan medan lemah) di CMB (sinaran peninggalan), khususnya dalam jenis korelasi yang dapat dijumpai di antara turun naik. Terdapat model kosmologi rentetan dan kosmologi gelung kuantum yang berbeza yang mengkaji akibat yang diperhatikan, dan eksperimen yang dicadangkan seperti EUCLID, PRISM, dan kemudian WFIRST mungkin menemui petunjuk pertama.
Terdapat idea lain yang menarik, berdasarkan penemuan teoritis baru-baru ini, yang mana keruntuhan bahan graviti mungkin tidak selalu membentuk lubang hitam - keseluruhan sistem akan mengelakkan pembentukan cakrawala. Sekiranya demikian, objek yang tinggal akan memberi kita gambaran mengenai wilayah dengan kesan graviti kuantum. Namun, tidak jelas apakah isyarat yang harus kita cari untuk mencari objek tersebut, tetapi ini adalah arah pencarian yang menjanjikan.
Terdapat banyak idea. Sebilangan besar model menangani kemungkinan bahawa kesan graviti kuantum memberi ruang pada masa dengan sifat medium. Ini boleh menyebabkan penyebaran cahaya, birefringence, decoherence, atau kekosongan ruang kosong. Anda tidak dapat memberitahu semua perkara sekaligus. Tetapi, tanpa keraguan, masih banyak yang perlu dilakukan. Pencarian bukti bahawa graviti memang kekuatan kuantum sudah bermula.
ILYA KHEL
