Fale grawitacyjne.

 

Czy eksperyment na stole może wykryć fale grawitacyjne i określić kwantową naturę grawitacji?

Być może najbardziej zaskakującą prognozą ogólnej teorii względności są fale grawitacyjne. Fale w przestrzeni i czasie, które rozprzestrzeniają się po wszechświecie z prędkością światła. Fale grawitacyjne są tak słabe, że przez dziesięciolecia uważano, że ich wykrycie jest niemożliwe. Nawet dzisiaj potrzeba szeregu interferometrów laserowych o długości kilku kilometrów, aby zobaczyć ich działanie. Ale co by było, gdybyśmy mogli je wykryć za pomocą eksperymentu na stole w laboratorium uniwersyteckim?

W niedawnym artykule opublikowanym w New Journal of Physics zespół fizyków proponuje właśnie takie urządzenie. Zamiast używać wiązek światła, sugerują użycie kwantowej superpozycji pojedynczego elektronu.

Ich konstrukcja wykorzystuje malutki diament, w którym jeden z atomów węgla jest zastąpiony atomem azotu. Spowodowałoby to powstanie luki w diamencie, w której można umieścić dodatkowy elektron. Ponieważ elektrony mają właściwość podobną do rotacji zwaną spinem, elektron ten ma dwie możliwe orientacje lub stany. Oświetlając diament wiązką światła laserowego, można umieścić elektron w superpozycji obu stanów.

Superpozycja to jeden z dziwnych aspektów teorii kwantowej, w której obiekt może znajdować się w nieokreślonej kombinacji dwóch wyników. To tak, jakby rzucona moneta nie była ani orłem, ani reszką, ale stanem rozmytym. Moneta byłaby superpozycją obu możliwości. W przypadku elektronu byłby to superpozycja dwóch możliwych stanów spinowych.

Superpozycja została przesunięta przez fale grawitacyjne.

Źródło: Marshman, Ryan James i in

Nawet gdy elektron jest w stanie rozmytym, może nadal oddziaływać z innymi rzeczami. Dlatego zespół proponuje umieszczenie diamentu w polu magnetycznym, co spowodowałoby wypaczenie superpozycji. Dwa możliwe stany spinowe zmieniłyby się, przy czym jeden poruszałby się w kierunku północnego bieguna magnetycznego, a drugi w kierunku południowego. W rezultacie superpozycja dzieli się na dwa obszary. Gdyby przechodziła fala grawitacyjna, wpływ na każdą część superpozycji byłby inny. Mierząc tę ​​różnicę, można było wykryć przechodzenie fali grawitacyjnej.

Wracając do naszej analogii z monetami, byłoby to tak, jakby wziąć rozmyty stan orzeł lub reszka i oddzielić potencjalne orły od potencjalnych reszek, a następnie ponownie je połączyć i zmierzyć wynik rzutu monetą. Jeśli nic nie wchodzi w interakcję z monetą, wyniki byłyby w połowie przypadków orzeł i reszka w drugiej połowie. Ale jeśli oddziaływała z nimi fala grawitacyjna, to wynik nie byłby 50/50. Może to być nieco bardziej prawdopodobne ogony niż orzeł.

Grawitacja może być spowodowana interakcjami kwantowymi. Źródło: SLAC National Accelerator Lab

Ten eksperyment byłby trudny do wykonania. Musiałbyś chronić go przed wszelkimi zewnętrznymi zakłóceniami elektrycznymi, a także musiałbyś to zrobić podczas swobodnego spadania. Musiałby więc zostać wykonany na orbicie lub zrzucony w dół długim szybem. Może minąć dziesięciolecia, zanim będzie można przeprowadzić taki eksperyment. Ale zespół pokazał, że tego rodzaju eksperyment może zadziałać w zasadzie. Byłby wystarczająco czuły, aby zmierzyć fale grawitacyjne. Mógłby również zbadać aspekt grawitacji, którego LIGO nigdy nie zrobi.

Chociaż ogólna teoria względności jest solidną teorią naukową, opisującą wszystko, od orbit planet po czarne dziury, rozkłada się ona w mikroskopijnych skalach. Teoria kwantowa, która poprawnie opisuje zachowanie atomów i cząsteczek, bezpośrednio zaprzecza założeniom ogólnej teorii względności. Uważamy, że istnieje głębsza teoria, która łączy te dwie teorie. Nazywamy to teorią kwantowej grawitacji. Nie wiemy, jak działa grawitacja kwantowa, ale ten nowy eksperyment może się zmienić. Jak wskazuje zespół, byłby on zdolny nie tylko do wykrywania fal grawitacyjnych, ale także do wykrywania innych skutków ogólnej teorii względności w skalach atomowych. Byłby to jeden z naszych pierwszych eksperymentalnych spojrzeń na grawitację kwantową.