Všechny základní síly vesmíru se řídí zákony kvantové mechaniky, kromě jedné: gravitace. Nalezení způsobu, jak včlenit gravitaci do kvantové mechaniky, by vědce přiblížilo o obrovský skok k „teorii všeho“, která by dokázala zcela vysvětlit fungování vesmíru z prvních principů. Klíčovým prvním krokem v této snaze zjistit, zda je gravitace kvantová, je detekce dlouho předpokládané elementární částice gravitace, gravitonu. Při hledání gravitonu se nyní fyzikové obracejí k experimentům s mikroskopickými supravodiči, volně padajícími krystaly a zářením po velkém třesku.

Kvantová mechanika předpokládá, že vše je tvořeno kvanty neboli balíčky energie, které se mohou chovat jako částice i vlny – například kvanta světla se nazývají fotony. Detekce gravitonů, hypotetických kvant gravitace, by prokázala, že gravitace je kvantová. Problémem je, že gravitace je mimořádně slabá. Fyzik Freeman Dyson slavně poznamenal, že k přímému pozorování nepatrných účinků gravitonu na hmotu by musel být detektor gravitonů tak hmotný, že by se zhroutil sám na sebe a vytvořil černou díru.

„Jedním z problémů teorií kvantové gravitace je, že jejich předpovědi je obvykle téměř nemožné experimentálně ověřit,“ říká kvantový fyzik Richard Norte z Technické univerzity v Delftu v Nizozemsku. „To je hlavní důvod, proč existuje tolik konkurenčních teorií a proč se nám zatím nepodařilo pochopit, jak to vlastně funguje.“

V roce 2015 však teoretický fyzik James Quach, který nyní působí na univerzitě v australském Adelaide, navrhl způsob, jak gravitony detekovat s využitím jejich kvantové povahy. Kvantová mechanika naznačuje, že vesmír je ze své podstaty mlhavý – například nikdy nelze absolutně znát polohu částice a její hybnost zároveň. Jedním z důsledků této neurčitosti je, že vakuum není nikdy zcela prázdné, ale místo toho v něm bzučí „kvantová pěna“ takzvaných virtuálních částic, které neustále vznikají a zanikají. Tyto přízračné entity mohou být jakýmikoliv kvanty, včetně gravitonů.

Před desetiletími vědci zjistili, že virtuální částice mohou generovat detekovatelné síly. Například Casimirův jev je přitažlivost nebo odpudivost pozorovaná mezi dvěma zrcadly umístěnými blízko sebe ve vakuu. Tyto odrazné plochy se pohybují v důsledku síly generované virtuálními fotony, které se mihnou a zaniknou. Předchozí výzkum naznačil, že supravodiče by mohly odrážet gravitony silněji než normální hmota, takže Quach vypočítal, že hledání interakcí mezi dvěma tenkými supravodivými pláty ve vakuu by mohlo odhalit gravitační Casimirův jev. Výsledná síla by mohla být zhruba desetkrát silnější než síla očekávaná od standardního Casimirova jevu založeného na virtuálních fotonech.

Nedávno Norte a jeho kolegové vyvinuli mikročip k provedení tohoto experimentu. Tento čip obsahoval dvě mikroskopické destičky potažené hliníkem, které byly ochlazeny téměř na absolutní nulu, takže se staly supravodivými. Jedna destička byla připojena k pohyblivému zrcadlu a na toto zrcadlo byl vypálen laser. Pokud se desky pohybovaly v důsledku gravitačního Casimirova jevu, frekvence světla odrážejícího se od zrcadla se měřitelně měnila. Jak bylo podrobně popsáno 20. července v časopise Physical Review Letters, vědci žádný gravitační Casimirův jev nezaznamenali. Tento nulový výsledek nutně nevylučuje existenci gravitonů – a tedy kvantovou povahu gravitace. Spíše to může znamenat, že gravitony neinteragují se supravodiči tak silně, jak odhadovaly předchozí práce, říká kvantový fyzik a nositel Nobelovy ceny Frank Wilczek z Massachusettského technologického institutu, který se na této studii nepodílel a nebyl jejími nulovými výsledky překvapen. Přesto Quach říká, že to „byl odvážný pokus o detekci gravitonů.“

Ačkoli Norteho mikročip nezjistil, zda je gravitace kvantová, jiní vědci se zabývají různými přístupy ke zjištění gravitačních kvantových efektů. Například v roce 2017 dvě nezávislé studie naznačily, že pokud je gravitace kvantová, mohla by vytvářet spojení známé jako „provázanost“ mezi částicemi, takže jedna částice okamžitě ovlivňuje druhou bez ohledu na to, kde se která z nich ve vesmíru nachází. Stolní experiment využívající laserové paprsky a mikroskopické diamanty by mohl pomoci hledat takové provázání založené na gravitaci. Krystaly by byly uchovávány ve vakuu, aby se zabránilo srážkám s atomy, takže by na sebe vzájemně působily pouze prostřednictvím gravitace. Vědci by nechali tyto diamanty padat současně, a pokud je gravitace kvantová, gravitační přitažlivost, kterou každý krystal působí na druhý, by je mohla vzájemně provázat.

Výzkumníci by provázanost hledali tak, že by po pádu každého diamantu svítili laserem do jeho nitra. Pokud by se částice v centrech krystalů roztočily jedním směrem, fluoreskovaly by, ale pokud by se roztočily opačným směrem, nefluoreskovaly by. Pokud by se spiny v obou krystalech synchronizovaly častěji, než by předpovídala náhoda, naznačovalo by to provázanost. „Experimentátoři po celém světě jsou zvědaví, zda se této výzvy chopí,“ říká výzkumník kvantové gravitace Anupam Mazumdar z univerzity v nizozemském Groningenu, spoluautor jedné ze studií o entanglementu.

Další strategií, jak najít důkazy pro kvantovou gravitaci, je podívat se na kosmické mikrovlnné záření pozadí, slabé záření po velkém třesku, říká kosmolog Alan Guth z M.I.T. Kvanta, jako jsou gravitony, fluktuují jako vlny a nejkratší vlnové délky by měly nejintenzivnější fluktuace. Když se vesmír během zlomku sekundy po velkém třesku závratně zvětšil, podle Guthova široce podporovaného kosmologického modelu známého jako inflace, tyto krátké vlnové délky by se ve vesmíru roztáhly do delších měřítek. Tento důkaz kvantové gravitace by mohl být viditelný jako víry v polarizaci neboli zarovnání fotonů kosmického mikrovlnného záření pozadí.

Intenzita těchto obrazců vírů, známých jako B-mody, však velmi závisí na přesné energii a načasování inflace. „Některé verze inflace předpovídají, že tyto B-módy by měly být brzy nalezeny, zatímco jiné verze předpovídají, že B-módy jsou tak slabé, že nikdy nebude naděje na jejich detekci,“ říká Guth. „Pokud by však byly nalezeny a jejich vlastnosti by odpovídaly očekávání z inflace, byl by to velmi silný důkaz, že gravitace je kvantová.“

Jedním z dalších způsobů, jak zjistit, zda je gravitace kvantová, je hledat přímo kvantové fluktuace v gravitačních vlnách, o nichž se předpokládá, že jsou tvořeny gravitony, které vznikly krátce po velkém třesku. Laserová interferometrická observatoř gravitačních vln (LIGO) poprvé detekovala gravitační vlny v roce 2016, ale není dostatečně citlivá na to, aby detekovala fluktuující gravitační vlny v raném vesmíru, které inflace roztáhla do kosmických měřítek, říká Guth. Gravitačně-vlnová observatoř ve vesmíru, jako je například laserová interferometrická vesmírná anténa (LISA), by tyto vlny mohla potenciálně detekovat, dodává Wilczek.

V článku, který nedávno přijal časopis Classical and Quantum Gravity, však astrofyzik Richard Lieu z University of Alabama v Huntsville tvrdí, že LIGO by již měla gravitony detekovat, pokud nesou tolik energie, kolik předpokládají některé současné modely částicové fyziky. Je možné, že graviton má jen méně energie, než se očekávalo, ale Lieu naznačuje, že to také může znamenat, že graviton neexistuje. „Pokud graviton vůbec neexistuje, bude to pro většinu fyziků dobrá zpráva, protože s vývojem teorie kvantové gravitace jsme měli tak strašné problémy,“ říká Lieu.

Vymyslet teorie, které graviton vyloučí, přesto nemusí být o nic snazší než vymyslet teorie, které ho zachovají. „Z teoretického hlediska je velmi těžké si představit, jak by se gravitace mohla vyhnout kvantování,“ říká Guth. „Nejsem si vědom žádné rozumné teorie toho, jak by klasická gravitace mohla interagovat s kvantovou hmotou, a nedokážu si představit, jak by taková teorie mohla fungovat.“

.