Pada tahun 1935, ketika mekanik kuantum dan teori relativiti umum Einstein sangat muda, ahli fizik Soviet Matvei Bronstein yang tidak begitu terkenal, pada usia 28 tahun, membuat kajian terperinci pertama mengenai pendamaian kedua-dua teori ini dalam teori graviti kuantum. Ini, "mungkin teori seluruh dunia," seperti yang ditulis oleh Bronstein, dapat menggantikan deskripsi klasik Einstein mengenai gravitasi, di mana ia dilihat sebagai lengkung dalam kontinum ruang-waktu, dan menuliskannya semula dalam bahasa kuantum, seperti semua fizik lain.
Bronstein mencari cara untuk menggambarkan graviti dari segi zarah-zarah yang dikuantisasi, yang sekarang disebut graviton, tetapi hanya apabila daya graviti lemah - iaitu (dalam relativiti umum) ketika jarak ruang melengkung dengan lemah sehingga praktikal rata. Apabila graviti kuat, "keadaannya sama sekali berbeza," tulis saintis itu. "Tanpa semakan mendalam mengenai konsep klasik, nampaknya mustahil untuk mengemukakan teori graviti kuantum di bidang ini."
Kata-katanya bernubuat. Lapan puluh tiga tahun kemudian, ahli fizik masih berusaha memahami bagaimana kelengkungan ruang-waktu memanifestasikan dirinya pada skala makroskopik, berpunca dari gambaran graviti yang lebih mendasar dan kononnya; mungkin soalan paling mendalam dalam bidang fizik. Mungkin, jika ada kesempatan, kepala Bronstein yang terang akan mempercepat proses pencarian ini. Selain graviti kuantum, dia juga memberikan sumbangan untuk astrofizik dan kosmologi, teori semikonduktor, elektrodinamik kuantum, dan menulis beberapa buku untuk anak-anak. Pada tahun 1938 dia jatuh di bawah penindasan Stalinis dan dieksekusi pada usia 31 tahun.
Pencarian teori graviti kuantum yang lengkap rumit oleh fakta bahawa sifat graviti kuantum tidak pernah menampakkan diri dalam pengalaman sebenar. Ahli fizik tidak melihat bagaimana penerangan Einstein tentang kelanjutan ruang-waktu yang lancar dilanggar, atau penghampiran kuantum Bronstein dalam keadaan yang sedikit melengkung.
Masalahnya terletak pada kelemahan daya graviti yang melampau. Walaupun zarah-zarah terukur yang memancarkan daya kuat, lemah dan elektromagnetik begitu kuat sehingga mereka mengikat jirim dengan kuat ke atom dan dapat diperiksa secara harfiah di bawah kaca pembesar, graviton secara individu sangat lemah sehingga makmal tidak mempunyai peluang untuk mengesannya. Untuk menangkap graviton dengan tahap kebarangkalian yang tinggi, pengesan zarah mesti begitu besar dan besar sehingga runtuh ke dalam lubang hitam. Kelemahan ini menjelaskan mengapa pengumpulan massa astronomi diperlukan untuk mempengaruhi badan besar lain melalui graviti, dan mengapa kita melihat kesan graviti pada skala besar.
Ini bukan semua. Alam semesta nampaknya mengalami semacam penapisan kosmik: kawasan graviti yang kuat - di mana lengkung ruang-waktu begitu tajam sehingga persamaan Einstein gagal, dan sifat graviti dan ruang-waktu kuantum mesti dinyatakan - selalu bersembunyi di balik cakrawala lubang hitam.
"Bahkan beberapa tahun yang lalu ada konsensus umum bahawa kemungkinan besar mustahil untuk mengukur kuantisasi medan gravitasi dengan cara apa pun," kata Igor Pikovsky, seorang ahli fizik teori di Universiti Harvard.
Video promosi:
Dan berikut adalah beberapa makalah baru-baru ini yang diterbitkan dalam Physical Review Letters yang telah mengubah keadaan. Makalah ini membuat tuntutan bahawa mungkin untuk mencapai graviti kuantum - walaupun tanpa mengetahui apa-apa mengenainya. Makalah-makalah yang ditulis oleh Sugato Bose dari University College London dan Chiara Marletto dan Vlatko Vedral dari University of Oxford, mengusulkan percubaan yang mencabar secara teknikal tetapi dapat dilaksanakan yang dapat mengesahkan bahawa graviti adalah kekuatan kuantum seperti orang lain tanpa memerlukan pengesanan graviton. Miles Blencoe, seorang ahli fizik kuantum di Dartmouth College yang tidak terlibat dalam pekerjaan itu, mengatakan eksperimen seperti itu dapat mengungkapkan jejak graviti kuantum yang tidak dapat dilihat - "senyuman kucing Cheshire."
Eksperimen yang dicadangkan akan menentukan sama ada dua objek - kumpulan Bose merancang untuk menggunakan sepasang mikrodiamond - menjadi terjerat secara mekanik kuantum di antara mereka dalam proses tarikan graviti bersama. Entanglement adalah fenomena kuantum di mana zarah-zarah menjadi tidak dapat dipisahkan, berkongsi satu gambaran fizikal yang menentukan keadaan gabungan mereka. (Kebersamaan keadaan yang mungkin berbeza disebut "superposisi" dan mendefinisikan sistem kuantum). Sebagai contoh, sepasang zarah yang terjerat boleh wujud dalam superposisi, di mana zarah A akan berputar dari bawah ke atas dengan kebarangkalian 50%, dan B - dari atas ke bawah, dan sebaliknya dengan kebarangkalian 50%. Tidak ada yang tahu terlebih dahulu apa hasil yang anda akan dapat ketika mengukur arah putaran zarah, tetapi anda pasti dapat memastikannyabahawa mereka akan mempunyai yang sama.
Penulis berpendapat bahawa dua objek dalam eksperimen yang dicadangkan dapat terjerat dengan cara ini hanya jika daya yang bertindak di antara mereka - dalam hal ini graviti - adalah interaksi kuantum yang dimediasi oleh graviton, yang dapat menyokong superposisi kuantum. "Jika eksperimen dilakukan dan keterlibatan diperoleh, menurut makalah tersebut, dapat disimpulkan bahawa gravitasi dikuantisasi," jelas Blenkow.
Lekatkan berlian
Graviti kuantum begitu halus sehingga beberapa saintis mempersoalkan keberadaannya. Ahli matematik dan fizik terkenal Freeman Dyson, 94, telah berpendapat sejak tahun 2001 bahawa alam semesta dapat menyokong sejenis keterangan "dualistik", di mana "medan graviti yang dijelaskan oleh teori relativiti umum Einstein akan menjadi bidang klasik semata-mata tanpa tingkah laku kuantum." dan semua perkara dalam kontinum ruang-waktu yang lancar ini akan dihitung oleh zarah-zarah yang mematuhi peraturan kebarangkalian.
Dyson, yang membantu mengembangkan elektrodinamik kuantum (teori interaksi antara jirim dan cahaya) dan merupakan profesor emeritus di Institut Kajian Lanjutan di Princeton, New Jersey, tidak percaya bahawa graviti kuantum diperlukan untuk menggambarkan kedalaman lubang hitam yang tidak dapat dicapai. Dan dia juga percaya bahawa mengesan graviton hipotetis mungkin mustahil pada prinsipnya. Dalam kes ini, katanya, graviti kuantum akan bersifat metafizik, bukan fizikal.
Dia bukan satu-satunya skeptikal. Ahli fizik Inggeris terkenal Sir Roger Penrose dan saintis Hungaria Lajos Diosi secara bebas menganggap bahawa ruang-waktu tidak dapat menyokong superposisi. Mereka percaya bahawa sifatnya yang halus, padat, dan asasnya klasik menghalangnya daripada membongkok ke dua jalan yang mungkin pada masa yang sama - dan ketegaran inilah yang menyebabkan keruntuhan superposisi sistem kuantum seperti elektron dan foton. "Gravitational decoherence", menurut pendapat mereka, memungkinkan satu kenyataan padat dan klasik terjadi, yang dapat dirasakan pada skala makroskopik.
Mencari "senyuman" graviti kuantum sepertinya menyanggah hujah Dyson. Ini juga membunuh teori decoherence graviti dengan menunjukkan bahawa graviti dan masa-masa menyokong superposisi kuantum.
Usulan Bose dan Marletto muncul secara tidak sengaja dan serentak, walaupun para pakar menyatakan bahawa ia mencerminkan semangat zaman. Makmal fizik kuantum eksperimental di seluruh dunia menempatkan objek mikroskopik yang lebih besar dalam superposisi kuantum dan mengoptimumkan protokol ujian untuk keterlibatan dua sistem kuantum. Eksperimen yang dicadangkan perlu menggabungkan prosedur ini, sambil memerlukan peningkatan skala dan kepekaan; mungkin mengambil masa sepuluh tahun. "Tetapi tidak ada jalan buntu fizikal," kata Pikovsky, yang juga meneroka bagaimana eksperimen makmal dapat menyelidiki fenomena graviti. "Saya rasa itu sukar, tetapi tidak mustahil."
Rancangan ini digariskan dengan lebih terperinci dalam karya Bose et al. Sebelas pakar Ocean untuk fasa cadangan yang berbeza. Sebagai contoh, di makmalnya di University of Warwick, pengarang bersama Gavin Morley mengusahakan tahap pertama, berusaha meletakkan mikrodiamond dalam superposisi kuantum di dua tempat. Untuk melakukan ini, dia akan melampirkan atom nitrogen dalam berlian mikro, di sebelah kekosongan dalam struktur berlian (yang disebut pusat NV, atau kekosongan nitrogen yang diganti dalam berlian), dan mengecasnya dengan gelombang mikro. Elektron yang berputar di sekitar pusat NV secara serentak menyerap cahaya dan tidak, dan sistem menuju ke superposisi kuantum dua arah putaran - atas dan bawah - seperti bahagian atas yang berputar mengikut arah jam dengan kebarangkalian tertentu dan berlawanan arah jarum jam dengan kebarangkalian tertentu. Berlian mikro yang dimuatkan dengan putaran superposisi ini terkena medan magnet,yang menjadikan putaran atas bergerak ke kiri dan putaran bawah ke kanan. Berlian itu sendiri dipecah menjadi superposisi dua lintasan.
Dalam eksperimen lengkap, saintis harus melakukan semua ini dengan dua berlian - merah dan biru, katakan - terletak bersebelahan dalam vakum ultrasold. Apabila perangkap yang menahannya dimatikan, dua mikrodiamond, masing-masing dalam kedudukan dua kedudukan, akan jatuh secara menegak dalam keadaan hampa. Apabila berlian jatuh, mereka akan merasakan berat masing-masing. Seberapa kuat tarikan graviti mereka?
Sekiranya graviti adalah interaksi kuantum, jawapannya adalah: bergantung pada apa. Setiap komponen superposisi berlian biru akan mengalami tarikan yang lebih kuat atau lebih lemah ke berlian merah, bergantung pada apakah yang terakhir berada di cawangan superposisi yang lebih dekat atau lebih jauh. Dan graviti yang akan dirasakan oleh setiap komponen superposisi berlian merah juga bergantung pada keadaan berlian biru.
Dalam setiap kes, tahap daya tarikan graviti yang berlainan mempengaruhi komponen penambahan berlian yang berlainan. Dua berlian menjadi saling bergantung kerana keadaannya hanya dapat ditentukan secara gabungan - jika ini bermaksud - oleh itu, akhirnya, arah putaran kedua sistem pusat NV akan berkorelasi.
Setelah mikrodiamond jatuh berdampingan selama tiga saat - cukup untuk terjerat dalam graviti - mereka akan melalui medan magnet yang lain, yang sekali lagi akan menyelaraskan cabang-cabang setiap superposisi. Langkah terakhir eksperimen adalah protokol keterangan keterikatan, yang dikembangkan oleh ahli fizik Denmark Barbara Teral dan lain-lain: berlian biru dan merah memasuki peranti yang berbeza yang mengukur arah putaran sistem pusat NV. (Pengukuran membawa kepada keruntuhan superposisi ke keadaan tertentu). Kemudian kedua hasilnya dibandingkan. Dengan menjalankan eksperimen berulang kali dan membandingkan beberapa pasang pengukuran putaran, saintis dapat menentukan apakah putaran dua sistem kuantum sebenarnya berkorelasi lebih kerap daripada menentukan had atas untuk objek yang tidak terjerat secara mekanik kuantum. Kalau begitu,graviti mengikat intan dan dapat mengekalkan kedudukan super.
"Apa yang menarik mengenai eksperimen ini ialah anda tidak perlu tahu apa itu teori kuantum," kata Blenkow. "Yang diperlukan adalah menegaskan bahawa ada beberapa aspek kuantum di daerah ini yang dimediasi oleh kekuatan antara kedua zarah."
Terdapat banyak kesukaran teknikal. Objek terbesar yang ditumpangkan di dua tempat sebelumnya adalah molekul 800 atom. Setiap berlian mikro mengandungi lebih dari 100 bilion atom karbon - cukup untuk membina daya graviti yang nyata. Membongkar sifat mekanik kuantumnya memerlukan suhu rendah, vakum dalam, dan kawalan yang tepat. "Ada banyak pekerjaan yang terlibat dalam mengatur superposisi awal dan pemicu," kata Peter Barker, anggota tim eksperimen yang meningkatkan teknik penyejukan laser dan penangkapan berlian mikro. Sekiranya ia dapat dilakukan dengan satu berlian, Bose menambahkan, "yang kedua tidak akan menjadi masalah."
Apa yang menjadikan graviti unik?
Penyelidik graviti kuantum tidak syak lagi bahawa graviti adalah interaksi kuantum yang boleh menyebabkan keterlibatan. Sudah tentu, graviti agak unik dan masih banyak yang perlu dipelajari mengenai asal-usul ruang dan masa, tetapi mekanik kuantum pasti terlibat, kata para saintis. "Sebenarnya, apa gunanya teori di mana banyak fizik adalah kuantum dan graviti klasik," kata Daniel Harlow, seorang penyelidik graviti kuantum di MIT. Argumen teori terhadap model kuantum-klasik campuran sangat kuat (walaupun tidak muktamad).
Sebaliknya, ahli teori telah salah sebelum ini. Jika anda dapat memeriksa, mengapa tidak? Sekiranya membungkam orang-orang ini yang mempersoalkan kuantiti graviti, itu akan menjadi bagus,”kata Harlow.
Setelah membaca makalah, Dyson menulis: "Percubaan yang dicadangkan pasti menarik minat dan memerlukan pelaksanaan di bawah keadaan sistem kuantum yang sebenarnya." Namun, dia menyatakan bahawa arah pemikiran para pengarang mengenai bidang kuantum berbeza dari arahnya. "Tidak jelas bagi saya apakah eksperimen ini akan dapat menyelesaikan persoalan tentang keberadaan gravitasi kuantum. Soalan yang saya ajukan - sama ada kita melihat graviton yang terpisah - adalah soalan lain, dan ia mungkin mempunyai jawapan yang berbeza."
Garis pemikiran Bose, Marletto, dan rakan-rakan mereka mengenai graviti kuantitatif berpunca dari karya Bronstein seawal tahun 1935. (Dyson menyebut karya Bronstein "karya indah" yang belum pernah dilihatnya sebelumnya). Secara khusus, Bronstein menunjukkan bahawa graviti lemah yang dihasilkan oleh jisim rendah dapat didekati oleh hukum gravitasi Newton. (Ini adalah kekuatan yang bertindak antara superposisi mikrodiamond). Menurut Blencoe, pengiraan graviti kuantitatif yang lemah belum banyak dilakukan, walaupun tentu saja lebih relevan daripada fisika lubang hitam atau Big Bang. Dia berharap bahawa cadangan eksperimen baru akan mendorong para ahli teori untuk mencari penyempurnaan halus terhadap pendekatan Newton, yang mungkin akan diuji oleh eksperimen meja depan.
Leonard Susskind, seorang ahli teori graviti dan tali kuantum yang terkenal di Universiti Stanford, melihat nilai eksperimen yang dicadangkan kerana "ia memberikan pemerhatian tentang graviti dalam jarak massa dan jarak baru." Tetapi dia dan penyelidik lain menekankan bahawa mikrodiamond tidak dapat mengungkap apa-apa tentang teori graviti kuantum atau ruang-masa yang lengkap. Dia dan rakan-rakannya ingin memahami apa yang berlaku di tengah lubang hitam dan pada masa Big Bang.
Mungkin salah satu petunjuk mengapa graviti jauh lebih sukar untuk diukur daripada yang lain adalah bahawa kekuatan alam yang lain disebut "lokaliti": zarah kuantum di satu kawasan medan (contohnya foton dalam medan elektromagnetik) "bebas dari entiti fizikal lain di kawasan ruang yang lain,”kata Mark van Raamsdonk, ahli teori graviti kuantum di University of British Columbia. "Tetapi ada banyak bukti teoritis bahawa graviti tidak berfungsi seperti itu."
Dalam model pasir graviti kuantum terbaik (dengan geometri ruang-waktu yang dipermudah), mustahil untuk menganggap bahawa kain ruang-masa pita dibahagikan kepada kepingan tiga dimensi yang bebas, kata van Raamsdonk. Sebaliknya, teori moden menunjukkan bahawa unsur asas ruang yang "mendasari disusun dua dimensi". Kain ruang-waktu boleh seperti hologram atau permainan video. "Walaupun gambarnya tiga dimensi, maklumat itu disimpan pada cip komputer dua dimensi." Dalam kes ini, dunia tiga dimensi akan menjadi khayalan dalam arti bahawa pelbagai bahagiannya tidak begitu bebas. Sama seperti permainan video, beberapa bit pada cip dua dimensi dapat mengekod fungsi global keseluruhan permainan.
Dan perbezaan ini penting ketika anda berusaha membuat teori graviti kuantum. Pendekatan biasa untuk mengkuantisasi sesuatu adalah menentukan bahagian bebasnya - partikel, misalnya - dan kemudian menerapkan mekanik kuantum kepada mereka. Tetapi jika anda tidak mengenal pasti konstituen yang betul, anda akan mendapat persamaan yang salah. Kuantisasi langsung ruang tiga dimensi yang ingin dilakukan oleh Bronstein berfungsi dengan tahap graviti yang lemah, tetapi ternyata tidak berguna ketika ruang-waktu sangat melengkung.
Sebilangan pakar mengatakan bahawa menyaksikan "senyuman" gravitasi kuantum dapat mendorong penaakulan abstrak semacam ini. Bagaimanapun, bahkan hujah teoretis paling kuat mengenai kewujudan graviti kuantum tidak disokong oleh bukti eksperimen. Ketika van Raamsdonk menjelaskan penyelidikannya dalam sebuah kolokium saintis, dia berkata, biasanya dimulakan dengan memberitahu bagaimana graviti perlu dipikirkan semula dengan mekanik kuantum, kerana perihalan klasik masa-masa akan pecah di lubang hitam dan Big Bang.
"Tetapi jika anda melakukan eksperimen sederhana ini dan menunjukkan bahawa medan graviti berada pada kedudukan yang tinggi, kegagalan penerangan klasik menjadi jelas. Kerana akan ada eksperimen yang menyiratkan bahawa graviti adalah kuantum."
Berdasarkan bahan dari Majalah Quanta
Ilya Khel
