Является ли гравитация величиной? Новый опыт исследования глубин Вселенной

• Ученые разрабатывают эксперимент, чтобы проверить, является ли гравитация квантовой или нет
• В квантовой механике, которая описывает поведение атомов и молекул, вещи ведут себя иначе, чем все, что мы знаем: они могут находиться в состоянии квантовой суперпозиции, так что они находятся в двух местах одновременно.
• Теперь ученые ищут способ определить, работает ли гравитация таким же образом, левитируя крошечные алмазы в вакуум.
• Если бы гравитация была квантовой, алмазы были бы «запутаны» — интересное явление, которое прочно связывает два объекта способами, невозможными в повседневной жизни.
• Это исследование поможет понять черные дыры великий взрывИ Вселенная

Эксперимент по квантовой гравитации

Ученые разрабатывают эксперимент, чтобы проверить, является ли гравитация квантовой, что является одним из самых глубоких вопросов о нашей Вселенной.

Общая теория относительности и квантовая механика — два основных описания природы. Общая теория относительности объясняет гравитацию в больших масштабах, а квантовая механика объясняет поведение атомов и молекул.

Проблема объединения теорий

Вероятно, самая важная нерешенная проблема фундаментальной физики — это правильный способ объединить эти две теории — определить, действует ли гравитация на квантовом уровне. Хотя теоретические работы предлагают множество возможностей, необходимы эксперименты, чтобы полностью понять поведение гравитации.

Лазерный луч в лаборатории Гэвина Морли исследует квантовые свойства алмазов. Кредит: Гэвин Морли

Революционный опыт глобального консорциума

Сто лет эксперименты по изучению квантовой природы гравитации казались надуманными, но теперь ученые из университетов Уорика, Университетского колледжа Лондона, Йельского университета (США), Северо-Западного (США) и Гронингенского (Нидерланды) будут работать вместе, чтобы исследуйте эту головоломку. .

Их новая идея состоит в том, чтобы поднять два крошечных алмаза в вакуум и поместить их в квантовую суперпозицию, чтобы они находились в двух местах одновременно. Это противоречивое поведение является фундаментальной особенностью квантовой механики.

Видение эксперимента профессором Морли

Каждый бриллиант можно рассматривать как уменьшенную версию кота Шрёдингера. Главный исследователь профессор Гэвин Морли, факультет физики, Университет УорикаОн объясняет: «Кот Шрёдингера — это мысленный эксперимент, который предполагает, что было бы очень странно, если бы повседневные предметы (и домашние животные!) находились в состоянии квантовой суперпозиции, находясь в двух местах одновременно. Мы хотим проверить пределы этого. идея».

«Мы успешно поместили атомы и молекулы в это состояние суперпозиции, но мы хотим сделать это с гораздо более крупными объектами. Наши алмазы состоят из миллиарда или более атомов. Чтобы проверить квантовую природу гравитации, мы должны искать взаимодействия между двумя из этих алмазов из-за гравитации».

«Если бы гравитация была квантовой, она смогла бы запутать два алмаза. Запутывание — это уникальный квантовый эффект, при котором две вещи связаны сильнее, чем это возможно в нашей повседневной жизни. Например, если бы две монеты можно было запутать, вы могли бы обнаружить, что когда вы их переворачиваете, они опускаются таким же образом, даже если невозможно знать, будут ли они одновременно орлом или решкой.

Проблемы и последствия

На пути реализации этой идеи еще предстоит решить множество проблем, которые команда будет исследовать в ходе проекта. «Например, нам необходимо устранить все взаимодействия между наночастицами, кроме гравитации, что очень сложно, поскольку гравитация очень слаба», — говорит доктор Дэвид Мур из Йельский университет.

Профессор Морли, директор-основатель Warwick Quantum, новой междисциплинарной исследовательской инициативы в области квантовых технологий, добавил: «Для меня самой важной проблемой в физике сейчас является разработка эксперимента, который сможет проверить квантовую природу гравитации. Этот новый проект является ускорением нашего захватывающего пути именно к этому.

Перспективы сотрудничающих ученых

Профессор Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона прокомментировал: «Трудно переоценить, насколько важно для физиков проводить эксперименты, которые могут найти правильный способ объединения квантовой механики и общей теории относительности. Люди, работающие над теориями квантовой гравитации, такие как теория струн обычно фокусируется на том, что происходит при высоких энергиях, вблизи черных дыр и при большом взрыве.

«Напротив, наша работа здесь, на Земле, выполняется в низкоэнергетическом режиме, но она также предоставит бесценную информацию о… ли Гравитация квантовая. Эксперимент также можно считать проверкой общего предсказания любой квантовой теории гравитации при низких энергиях.

Профессор Анупам Мазумдар из Гронингенского университета добавляет: «На пути к пониманию квантовой природы гравитации мы, возможно, сможем проверить другие аспекты фундаментальной физики, такие как экзотические отклонения от ньютоновской гравитации на коротких расстояниях».

«Это сложный эксперимент, и этот проект является новаторским в решении некоторых ключевых технических проблем, позволяющих сделать эти испытания квантовых аспектов гравитации реальностью», — говорит Эндрю Джерачи, доцент кафедры физики. Северо-Западный университет.

Проект называется «MAST-QG: Макроскопические суперпозиции для рассмотрения квантовой природы гравитации».