Alle universets fundamentale kræfter er kendt for at følge kvantemekanikkens love, undtagen én: tyngdekraften. Hvis man fandt en måde at indpasse tyngdekraften i kvantemekanikken på, ville det bringe forskerne et stort skridt nærmere en “teori om alting”, som helt og holdent kunne forklare kosmos’ virkemåde ud fra de første principper. Et afgørende første skridt i denne søgen efter at finde ud af, om tyngdekraften er kvantemekanisk, er at påvise den længe postulerede elementarpartikel for tyngdekraften, gravitonen. På jagt efter gravitonen vender fysikerne sig nu mod eksperimenter med mikroskopiske superledere, frit faldende krystaller og eftergløderne fra big bang.
Kvantemekanikken antyder, at alting består af kvanta eller energipakker, der kan opføre sig som både en partikel og en bølge – f.eks. kaldes lyskvanta for fotoner. Hvis man kunne påvise gravitoner, tyngdekraftens hypotetiske kvantekvanter, ville det bevise, at tyngdekraften er kvantemekanisk. Problemet er, at tyngdekraften er overordentlig svag. For direkte at kunne observere de minimale virkninger, som en graviton ville have på stof, skal en gravitondetektor være så massiv, at den kollapser i sig selv og danner et sort hul, som fysikeren Freeman Dyson har bemærket.
“Et af problemerne med teorier om kvantetyngdekraft er, at deres forudsigelser normalt er næsten umulige at teste eksperimentelt”, siger kvantefysiker Richard Norte fra Delft University of Technology i Holland. “Det er hovedårsagen til, at der findes så mange konkurrerende teorier, og at det ikke er lykkedes os at forstå, hvordan det rent faktisk fungerer.”
I 2015 foreslog teoretisk fysiker James Quach, der nu arbejder på University of Adelaide i Australien, imidlertid en måde at detektere gravitoner på ved at udnytte deres kvantemæssige natur. Kvantemekanikken antyder, at universet i sagens natur er uklart – for eksempel kan man aldrig absolut kende en partikels position og momentum på samme tid. En konsekvens af denne usikkerhed er, at et vakuum aldrig er helt tomt, men i stedet summer af et “kvanteskum” af såkaldte virtuelle partikler, der konstant popper ind og ud af tilværelsen. Disse spøgelsesagtige væsener kan være alle slags kvanter, herunder gravitoner.
For årtier siden fandt forskerne ud af, at virtuelle partikler kan generere påviselige kræfter. Casimir-effekten er f.eks. den tiltrækning eller frastødning, der ses mellem to spejle, som er placeret tæt på hinanden i vakuum. Disse reflekterende overflader bevæger sig på grund af den kraft, der genereres af virtuelle fotoner, som blinker ind og ud af eksistensen. Tidligere forskning tydede på, at superledere kunne reflektere gravitoner stærkere end normalt stof, så Quach beregnede, at hvis man ledte efter interaktioner mellem to tynde superledende plader i vakuum, kunne man afsløre en gravitationel Casimir-effekt. Den resulterende kraft kunne være ca. 10 gange stærkere end den kraft, der forventes af den standard virtuelle-foton-baserede Casimir-effekt.
Norte og hans kolleger har for nylig udviklet en mikrochip til at udføre dette eksperiment. Denne chip indeholdt to mikroskopiske aluminiumbelagte plader, der blev afkølet næsten til det absolutte nulpunkt, så de blev superledende. Den ene plade var fastgjort til et bevægeligt spejl, og en laser blev affyret mod dette spejl. Hvis pladerne bevægede sig på grund af en gravitationel Casimir-effekt, ville frekvensen af det lys, der reflekteres af spejlet, ændre sig målbart. Som beskrevet online den 20. juli i Physical Review Letters kunne forskerne ikke se nogen gravitationel Casimir-effekt. Dette nulresultat udelukker ikke nødvendigvis eksistensen af gravitoner – og dermed tyngdekraftens kvantemæssige karakter. Det kan snarere betyde, at gravitoner ikke interagerer så kraftigt med superledere, som tidligere arbejde har anslået, siger kvantefysiker og nobelpristager Frank Wilczek fra Massachusetts Institute of Technology, som ikke deltog i undersøgelsen og ikke var overrasket over de nulresultater. Alligevel siger Quach, at dette “var et modigt forsøg på at detektere gravitoner.”
Og selv om Norte’s mikrochip ikke opdagede, om tyngdekraften er kvantemæssig, forfølger andre forskere en række forskellige metoder til at finde gravitationelle kvanteeffekter. For eksempel foreslog to uafhængige undersøgelser i 2017, at hvis tyngdekraften er kvantemæssig, kunne den generere en forbindelse kendt som “sammenfiltring” mellem partikler, således at en partikel øjeblikkeligt påvirker en anden partikel, uanset hvor begge er placeret i kosmos. Et bordeksperiment med laserstråler og mikroskopiske diamanter kan måske hjælpe med at søge efter en sådan tyngdekraftbaseret sammenfiltring. Krystallerne vil blive opbevaret i et vakuum for at undgå kollisioner med atomer, så de vil interagere med hinanden udelukkende gennem tyngdekraften. Forskerne vil lade disse diamanter falde på samme tid, og hvis tyngdekraften er kvantemæssig, vil den tyngdekraft, som hver enkelt krystal udøver på den anden, kunne vikle dem sammen.
Forskerne vil søge efter sammenfiltring ved at lyse med laserstråler ind i hver enkelt diamants hjerte efter faldet. Hvis partikler i krystallernes centre spinner den ene vej, ville de fluorescere, men det ville de ikke gøre, hvis de spinner den anden vej. Hvis spinningerne i begge krystaller er synkroniseret oftere, end tilfældighederne ville forudsige, ville det tyde på sammenfiltring. “Eksperimentalister over hele verden er nysgerrige efter at tage udfordringen op”, siger forsker i kvantetyngdekraft Anupam Mazumdar fra universitetet i Groningen i Nederlandene, som er medforfatter til en af undersøgelserne af sammenfiltring.
En anden strategi for at finde beviser for kvantetyngdekraften er at se på den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling, den svage efterglød fra big bang, siger kosmolog Alan Guth fra M.I.T. Kvanter som gravitoner svinger som bølger, og de korteste bølgelængder vil have de mest intense svingninger. Da kosmos udvidede sig svimlende i størrelse i løbet af et splitsekund efter big bang i henhold til Guths bredt støttede kosmologiske model, kendt som inflation, ville disse korte bølgelængder have strakt sig til længere skalaer i hele universet. Dette bevis på kvantetyngdekraften kunne være synligt som hvirvler i polariseringen, eller tilpasningen, af fotoner fra den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling.
Men intensiteten af disse mønstre af hvirvler, kendt som B-modes, afhænger i høj grad af den nøjagtige energi og timing af inflationen. “Nogle versioner af inflationen forudsiger, at disse B-modes snart bør findes, mens andre versioner forudsiger, at B-modes er så svage, at der aldrig vil være noget håb om at opdage dem,” siger Guth. “Men hvis de bliver fundet, og egenskaberne svarer til forventningerne fra inflationen, vil det være et meget stærkt bevis for, at tyngdekraften er kvantiseret.”
En anden måde at finde ud af, om tyngdekraften er kvantemæssig, er at kigge direkte efter kvantefluktuationer i gravitationsbølger, som menes at bestå af gravitoner, der blev skabt kort efter big bang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) opdagede først gravitationsbølger i 2016, men det er ikke følsomt nok til at opdage de fluktuerende gravitationsbølger i det tidlige univers, som inflationen strækkede sig til kosmiske skalaer, siger Guth. Et gravitationsbølgeobservatorium i rummet, såsom Laser Interferometer Space Antenna (LISA), kunne potentielt opdage disse bølger, tilføjer Wilczek.
I en artikel, der for nylig blev accepteret af tidsskriftet Classical and Quantum Gravity, argumenterer astrofysiker Richard Lieu fra University of Alabama, Huntsville, imidlertid for, at LIGO allerede burde have opdaget gravitoner, hvis de bærer så meget energi, som nogle af de nuværende modeller for partikelfysik antyder. Det kan være, at gravitonerne bare har mindre energi end forventet, men Lieu mener, at det også kan betyde, at gravitonerne ikke eksisterer. “Hvis gravitonen slet ikke eksisterer, vil det være godt nyt for de fleste fysikere, da vi har haft det så forfærdeligt svært ved at udvikle en teori om kvantetyngdekraften,” siger Lieu.
Det er dog ikke sikkert, at det er nemmere at udtænke teorier, der eliminerer gravitonen, end at udtænke teorier, der beholder den. “Ud fra et teoretisk synspunkt er det meget svært at forestille sig, hvordan gravitation kan undgå at blive kvantiseret,” siger Guth. “Jeg er ikke bekendt med nogen fornuftig teori om, hvordan klassisk tyngdekraft kunne interagere med kvantematerie, og jeg kan ikke forestille mig, hvordan en sådan teori kunne fungere.”