1935, als die Quantenmechanik und Einsteins allgemeine Relativitätstheorie noch sehr jung waren, führte der nicht so berühmte sowjetische Physiker Matvey Bronstein im Alter von 28 Jahren die erste detaillierte Studie zur Versöhnung dieser beiden Theorien in der Quantentheorie der Schwerkraft durch. Dies, "vielleicht die Theorie der ganzen Welt", wie Bronstein schrieb, könnte Einsteins klassische Beschreibung der Schwerkraft, in der sie als Kurven im Raum-Zeit-Kontinuum gesehen wird, ersetzen und wie alle anderen Physiken in Quantensprache umschreiben.
Bronstein fand heraus, wie man die Schwerkraft in quantisierten Teilchen beschreibt, die jetzt Gravitonen genannt werden, aber nur, wenn die Schwerkraft schwach ist - das heißt (im Allgemeinen Relativitätstheorie), wenn die Raumzeit so schwach gekrümmt ist, dass sie praktisch flach ist. Wenn die Schwerkraft stark ist, "ist die Situation völlig anders", schrieb der Wissenschaftler. "Ohne eine gründliche Überarbeitung der klassischen Konzepte scheint es fast unmöglich, eine Quantentheorie der Schwerkraft in diesem Bereich zu präsentieren."
Seine Worte waren prophetisch. Dreiundachtzig Jahre später versuchen Physiker immer noch zu verstehen, wie sich die Raumzeitkrümmung auf makroskopischer Ebene manifestiert, die sich aus dem grundlegenderen und angeblich quantenhaften Bild der Schwerkraft ergibt. vielleicht die tiefste Frage in der Physik. Wenn es eine Chance gäbe, würde Bronsteins heller Kopf vielleicht den Prozess dieser Suche beschleunigen. Neben der Quantengravitation leistete er Beiträge zur Astrophysik und Kosmologie, zur Halbleitertheorie und zur Quantenelektrodynamik und schrieb mehrere Bücher für Kinder. 1938 geriet er unter stalinistische Unterdrückung und wurde im Alter von 31 Jahren hingerichtet.
Die Suche nach einer vollständigen Theorie der Quantengravitation wird durch die Tatsache erschwert, dass sich die Quanteneigenschaften der Gravitation niemals in der realen Erfahrung manifestieren. Physiker sehen nicht, wie Einsteins Beschreibung eines glatten Raum-Zeit-Kontinuums oder seine Bronstein-Quantennäherung in einem leicht gekrümmten Zustand verletzt wird.
Das Problem liegt in der extremen Schwäche der Gravitationskraft. Während quantisierte Teilchen, die starke, schwache und elektromagnetische Kräfte übertragen, so stark sind, dass sie Materie fest in Atome binden und buchstäblich unter einer Lupe untersucht werden können, sind Gravitonen einzeln so schwach, dass Laboratorien keine Chance haben, sie zu erkennen. Um ein Graviton mit hoher Wahrscheinlichkeit zu fangen, muss der Partikeldetektor so groß und massiv sein, dass er in ein Schwarzes Loch fällt. Diese Schwäche erklärt, warum astronomische Massenansammlungen erforderlich sind, um andere massive Körper durch die Schwerkraft zu beeinflussen, und warum wir Gravitationseffekte auf riesigen Skalen sehen.
Das ist nicht alles. Das Universum scheint eine Art kosmische Zensur zu durchlaufen: Bereiche mit starker Schwerkraft - in denen die Raum-Zeit-Kurven so scharf sind, dass Einsteins Gleichungen versagen und die Quantennatur von Schwerkraft und Raum-Zeit aufgedeckt werden muss - verstecken sich immer hinter den Horizonten der Schwarzen Löcher.
„Noch vor einigen Jahren bestand allgemeiner Konsens darüber, dass es höchstwahrscheinlich unmöglich war, die Quantisierung des Gravitationsfeldes in irgendeiner Weise zu messen“, sagt Igor Pikovsky, theoretischer Physiker an der Harvard University.
Werbevideo:
Und hier sind einige kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichte Artikel, die die Situation verändert haben. Diese Artikel behaupten, dass es möglich sein könnte, zur Quantengravitation zu gelangen - auch ohne etwas darüber zu wissen. Die Arbeiten von Sugato Bose vom University College London und Chiara Marletto und Vlatko Vedral von der University of Oxford schlagen ein technisch herausforderndes, aber machbares Experiment vor, das bestätigen könnte, dass die Schwerkraft eine Quantenkraft wie alle anderen ist, ohne dass Graviton nachgewiesen werden muss. Miles Blencoe, ein Quantenphysiker am Dartmouth College, der nicht an der Arbeit beteiligt war, sagt, ein solches Experiment könne eine deutliche Spur unsichtbarer Quantengravitation aufdecken - das "Lächeln der Cheshire Cat".
Das vorgeschlagene Experiment wird bestimmen, ob zwei Objekte - die Bose-Gruppe plant, ein Paar Mikrodiamanten zu verwenden - im Prozess der gegenseitigen Anziehungskraft quantenmechanisch ineinander verwickelt werden. Verschränkung ist ein Quantenphänomen, bei dem Teilchen untrennbar miteinander verflochten sind und eine einzige physikalische Beschreibung teilen, die ihre möglichen kombinierten Zustände definiert. (Die Koexistenz verschiedener möglicher Zustände wird als "Überlagerung" bezeichnet und definiert ein Quantensystem). Zum Beispiel kann ein Paar von verschränkten Partikeln in einer Überlagerung existieren, in der sich Partikel A mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% von unten nach oben und B - von oben nach unten und umgekehrt mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% dreht. Niemand weiß im Voraus, welches Ergebnis Sie erhalten, wenn Sie die Drehrichtung von Partikeln messen, aber Sie können sicher sein, dassdass sie das gleiche haben werden.
Die Autoren argumentieren, dass zwei Objekte im vorgeschlagenen Experiment nur dann auf diese Weise verwickelt werden können, wenn die zwischen ihnen wirkende Kraft - in diesem Fall die Schwerkraft - eine durch Gravitonen vermittelte Quantenwechselwirkung ist, die Quantenüberlagerungen unterstützen kann. "Wenn ein Experiment durchgeführt wird und eine Verschränkung erzielt wird, kann laut dem Papier geschlossen werden, dass die Schwerkraft quantisiert wird", erklärte Blenkow.
Verwickle den Diamanten
Die Quantengravitation ist so subtil, dass einige Wissenschaftler ihre Existenz in Frage gestellt haben. Der berühmte Mathematiker und Physiker Freeman Dyson, der 94 Jahre alt ist, hat seit 2001 argumentiert, dass das Universum eine Art "dualistische" Beschreibung unterstützen kann, in der "das von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie beschriebene Gravitationsfeld ein rein klassisches Feld ohne Quantenverhalten sein wird". und alle Materie in diesem glatten Raum-Zeit-Kontinuum wird durch Teilchen quantisiert, die den Wahrscheinlichkeitsregeln gehorchen.
Dyson, der an der Entwicklung der Quantenelektrodynamik (der Theorie der Wechselwirkungen zwischen Materie und Licht) mitgewirkt hat und emeritierter Professor am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, ist, glaubt nicht, dass die Quantengravitation notwendig ist, um die unerreichbaren Tiefen von Schwarzen Löchern zu beschreiben. Und er glaubt auch, dass das Erkennen eines hypothetischen Gravitons im Prinzip unmöglich sein kann. In diesem Fall sei die Quantengravitation metaphysisch und nicht physikalisch.
Er ist nicht der einzige Skeptiker. Der berühmte englische Physiker Sir Roger Penrose und der ungarische Wissenschaftler Lajos Diosi gingen unabhängig voneinander davon aus, dass die Raumzeit die Überlagerung nicht unterstützen kann. Sie glauben, dass seine glatte, solide, grundsätzlich klassische Natur verhindert, dass es sich gleichzeitig in zwei mögliche Pfade biegt - und es ist diese Starrheit, die zum Zusammenbruch von Überlagerungen von Quantensystemen wie Elektronen und Photonen führt. Die „Gravitationsdekohärenz“ermöglicht ihrer Meinung nach die Entstehung einer einzigen, soliden, klassischen Realität, die makroskopisch spürbar ist.
Ein Quantengravitationslächeln zu finden, scheint Dysons Argument zu widerlegen. Es tötet auch die Theorie der Gravitationsdekohärenz, indem es zeigt, dass Schwerkraft und Raumzeit Quantenüberlagerungen unterstützen.
Die Vorschläge von Bose und Marletto erschienen gleichzeitig und völlig zufällig, obwohl Experten feststellen, dass sie den Zeitgeist widerspiegeln. Experimentelle quantenphysikalische Labors auf der ganzen Welt setzen immer größere mikroskopische Objekte in Quantenüberlagerungen und optimieren Testprotokolle für die Verschränkung zweier Quantensysteme. Das vorgeschlagene Experiment müsste diese Verfahren kombinieren und gleichzeitig weitere Verbesserungen in Bezug auf Maßstab und Empfindlichkeit erfordern. es könnte zehn Jahre dauern. "Aber es gibt keine physische Sackgasse", sagt Pikovsky, der auch untersucht, wie Laborexperimente Gravitationsphänomene untersuchen könnten. "Ich denke, es ist schwierig, aber nicht unmöglich."
Dieser Plan wird in der Arbeit der elf Experten von Bose et al. Ocean für verschiedene Phasen des Vorschlags ausführlicher beschrieben. In seinem Labor an der University of Warwick arbeitet der Co-Autor Gavin Morley beispielsweise am ersten Schritt und versucht, einen Mikrodiamanten an zwei Stellen in eine Quantenüberlagerung zu bringen. Dazu schließt er ein Stickstoffatom in einen Mikrodiamanten ein, neben einer Lücke in der Diamantstruktur (dem sogenannten NV-Zentrum oder einer stickstoffsubstituierten Lücke in einem Diamanten) und lädt es mit einem Mikrowellenpuls auf. Ein Elektron, das sich um das NV-Zentrum dreht, absorbiert gleichzeitig Licht und nicht, und das System geht in eine Quantenüberlagerung von zwei Spinrichtungen - auf und ab - wie eine Oberseite, die sich mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit im Uhrzeigersinn und mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit gegen den Uhrzeigersinn dreht. Ein mit diesem Überlagerungsspin beladener Mikrodiamant wird einem Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch bewegt sich der obere Spin nach links und der untere Spin nach rechts. Der Diamant selbst ist in zwei Überlagerungen aufgeteilt.
In einem vollständigen Experiment müssen Wissenschaftler dies alles mit zwei Diamanten tun - beispielsweise rot und blau -, die nebeneinander in einem ultrakalten Vakuum angeordnet sind. Wenn sich die Falle, die sie hält, ausschaltet, fallen zwei Mikrodiamanten, die sich jeweils in zwei Positionen überlagern, vertikal im Vakuum. Wenn die Diamanten fallen, spüren sie die Schwerkraft eines jeden von ihnen. Wie stark wird ihre Anziehungskraft sein?
Wenn die Schwerkraft eine Quantenwechselwirkung ist, lautet die Antwort: je nachdem, was. Jede Komponente der Überlagerung eines blauen Diamanten erfährt eine stärkere oder schwächere Anziehungskraft auf den roten Diamanten, je nachdem, ob sich dieser in dem Überlagerungszweig befindet, der näher oder weiter entfernt ist. Und die Schwerkraft, die jede Komponente der Überlagerung eines roten Diamanten fühlt, hängt in ähnlicher Weise vom Zustand des blauen Diamanten ab.
In jedem Fall beeinflussen unterschiedliche Gravitationsanziehungsgrade die sich entwickelnden Komponenten von Diamantüberlagerungen. Zwei Diamanten werden voneinander abhängig, weil ihre Zustände nur in Kombination bestimmt werden können - wenn dies bedeutet, dass - daher letztendlich die Richtungen der Spins der beiden Systeme von NV-Zentren korrelieren.
Nachdem die Mikrodiamanten drei Sekunden lang nebeneinander gefallen sind - genug, um sich in der Schwerkraft zu verfangen -, passieren sie ein anderes Magnetfeld, das die Zweige jeder Überlagerung wieder ausrichtet. Der letzte Schritt des Experiments ist das von der dänischen Physikerin Barbara Teral und anderen entwickelte Verwicklungszeugenprotokoll: Blaue und rote Diamanten treten in verschiedene Geräte ein, die die Spinrichtungen von NV-Zentrumsystemen messen. (Messung führt zum Zusammenbruch von Überlagerungen in bestimmte Zustände). Dann werden die beiden Ergebnisse verglichen. Durch wiederholtes Ausführen des Experiments und Vergleichen mehrerer Paare von Spinmessungen können Wissenschaftler feststellen, ob die Spins zweier Quantensysteme tatsächlich häufiger korreliert wurden, als eine Obergrenze für Objekte zu definieren, die nicht quantenmechanisch verwickelt sind. Wenn ja,Die Schwerkraft verwickelt Diamanten und kann die Überlagerung aufrechterhalten.
"Das Interessante an diesem Experiment ist, dass man nicht wissen muss, was Quantentheorie ist", sagt Blenkow. "Alles, was benötigt wird, ist zu behaupten, dass es in diesem Bereich einen Quantenaspekt gibt, der durch die Kraft zwischen den beiden Teilchen vermittelt wird."
Es gibt viele technische Schwierigkeiten. Das größte Objekt, das zuvor an zwei Stellen überlagert wurde, ist ein 800-Atom-Molekül. Jeder Mikrodiamant enthält über 100 Milliarden Kohlenstoffatome - genug, um eine spürbare Gravitationskraft aufzubauen. Das Auspacken seiner quantenmechanischen Natur erfordert niedrige Temperaturen, tiefes Vakuum und präzise Kontrolle. „Das Einrichten der anfänglichen Überlagerung und Auslösung erfordert viel Arbeit“, sagt Peter Barker, Mitglied eines experimentellen Teams, das die Techniken der Laserkühlung und der Erfassung von Mikrodiamanten verbessert. Wenn es mit einem Diamanten möglich wäre, fügt Bose hinzu: "Der zweite wird kein Problem sein."
Was macht die Schwerkraft einzigartig?
Quantengravitationsforscher haben keinen Zweifel daran, dass die Schwerkraft eine Quantenwechselwirkung ist, die eine Verschränkung verursachen kann. Natürlich ist die Schwerkraft etwas Einzigartiges und es gibt noch viel über die Ursprünge von Raum und Zeit zu lernen, aber die Quantenmechanik sollte auf jeden Fall einbezogen werden, sagen Wissenschaftler. "Nun, wirklich, worum geht es in einer Theorie, in der der größte Teil der Physik Quanten und die Schwerkraft klassisch ist", sagt Daniel Harlow, ein Quantengravitationsforscher am MIT. Die theoretischen Argumente gegen gemischte quantenklassische Modelle sind sehr stark (wenn auch nicht schlüssig).
Andererseits haben sich Theoretiker zuvor geirrt. „Wenn du nachsehen kannst, warum nicht? Wenn es diese Leute zum Schweigen bringt, die die Quantität der Schwerkraft in Frage stellen, wäre es großartig “, sagte Harlow.
Nach dem Lesen der Artikel schrieb Dyson: "Das vorgeschlagene Experiment ist zweifellos von großem Interesse und erfordert die Durchführung unter den Bedingungen eines realen Quantensystems." Er stellt jedoch fest, dass sich die Denkrichtung der Autoren über Quantenfelder von seiner unterscheidet. „Mir ist nicht klar, ob dieses Experiment die Frage nach der Existenz der Quantengravitation lösen kann. Die Frage, die ich gestellt habe - ob wir ein separates Graviton beobachten - ist eine andere Frage und hat möglicherweise eine andere Antwort."
Die Gedanken von Bose, Marletto und ihren Kollegen über die quantisierte Schwerkraft stammen aus Bronsteins Arbeiten bereits 1935. (Dyson nannte Bronsteins Werk "schönes Werk", das er zuvor noch nicht gesehen hatte). Insbesondere zeigte Bronstein, dass die durch geringe Masse erzeugte schwache Schwerkraft durch das Newtonsche Gravitationsgesetz angenähert werden kann. (Dies ist die Kraft, die zwischen Überlagerungen von Mikrodiamanten wirkt). Laut Blencoe wurden Berechnungen der schwachen quantisierten Schwerkraft nicht besonders durchgeführt, obwohl sie sicherlich relevanter sind als die Physik der Schwarzen Löcher oder des Urknalls. Er hofft, dass der neue experimentelle Vorschlag Theoretiker ermutigen wird, nach subtilen Verfeinerungen der Newtonschen Näherung zu suchen, die zukünftige Tischversuche versuchen könnten, zu testen.
Leonard Susskind, ein renommierter Quantengravitations- und Stringtheoretiker an der Stanford University, erkannte den Wert des vorgeschlagenen Experiments, weil "es Beobachtungen der Schwerkraft über einen neuen Bereich von Massen und Entfernungen liefert". Er und andere Forscher betonten jedoch, dass Mikrodiamanten nichts über eine vollständige Theorie der Quantengravitation oder der Raumzeit aussagen können. Er und seine Kollegen möchten verstehen, was in der Mitte eines Schwarzen Lochs und zur Zeit des Urknalls passiert.
Vielleicht ist einer der Hinweise darauf, warum die Schwerkraft so viel schwerer zu quantifizieren ist als alles andere, dass andere Naturkräfte eine sogenannte „Lokalität“haben: Quantenteilchen in einem Bereich des Feldes (z. B. Photonen in einem elektromagnetischen Feld) sind „unabhängig von“andere physikalische Einheiten in einem anderen Bereich des Weltraums “, sagt Mark van Raamsdonk, ein Quantengravitationstheoretiker an der University of British Columbia. "Aber es gibt viele theoretische Beweise dafür, dass die Schwerkraft nicht so funktioniert."
In den besten Sandmodellen der Quantengravitation (mit vereinfachten Raum-Zeit-Geometrien) ist es unmöglich anzunehmen, dass das Band-Raum-Zeit-Gewebe in unabhängige dreidimensionale Teile unterteilt ist, sagt van Raamsdonk. Stattdessen legt die moderne Theorie nahe, dass die zugrunde liegenden, grundlegenden Bestandteile des Raums "eher zweidimensional organisiert" sind. Das Gewebe der Raumzeit kann wie ein Hologramm oder ein Videospiel sein. "Obwohl das Bild dreidimensional ist, werden die Informationen auf einem zweidimensionalen Computerchip gespeichert." In diesem Fall wird die dreidimensionale Welt eine Illusion in dem Sinne sein, dass ihre verschiedenen Teile nicht so unabhängig sind. Ähnlich wie bei einem Videospiel können einige Bits auf einem zweidimensionalen Chip die globalen Funktionen des gesamten Spieluniversums codieren.
Und dieser Unterschied ist wichtig, wenn Sie versuchen, eine Quantentheorie der Schwerkraft zu erstellen. Der übliche Ansatz zur Quantisierung von etwas besteht darin, seine unabhängigen Teile - zum Beispiel Teilchen - zu definieren und dann die Quantenmechanik auf sie anzuwenden. Wenn Sie jedoch nicht die richtigen Bestandteile identifizieren, erhalten Sie die falschen Gleichungen. Die direkte Quantisierung des dreidimensionalen Raums, die Bronstein durchführen wollte, funktioniert bis zu einem gewissen Grad mit schwacher Schwerkraft, erweist sich jedoch als nutzlos, wenn die Raumzeit stark gekrümmt ist.
Einige Experten sagen, dass das Erleben des „Lächelns“der Quantengravitation diese Art von abstraktem Denken motivieren könnte. Schließlich werden selbst die lautesten theoretischen Argumente über die Existenz der Quantengravitation nicht durch experimentelle Beweise gestützt. Wenn van Raamsdonk seine Forschungen in einem Kolloquium von Wissenschaftlern erklärt, beginnt er normalerweise damit, die Geschichte zu erzählen, dass die Schwerkraft mit der Quantenmechanik überdacht werden muss, weil die klassische Beschreibung der Raumzeit an Schwarzen Löchern und am Urknall zusammenbricht.
„Wenn Sie jedoch dieses einfache Experiment durchführen und zeigen, dass sich das Gravitationsfeld überlagert hat, wird das Versagen der klassischen Beschreibung offensichtlich. Weil es ein Experiment geben wird, das impliziert, dass die Schwerkraft ein Quant ist."
Basierend auf Materialien aus dem Quanta Magazine
Ilya Khel
