Kaikkien maailmankaikkeuden perusvoimien tiedetään noudattavan kvanttimekaniikan lakeja, paitsi yhden: painovoiman. Jos löydettäisiin tapa sovittaa painovoima kvanttimekaniikkaan, tiedemiehet pääsisivät valtavan harppauksen lähemmäs ”kaiken teoriaa”, joka voisi selittää kosmoksen toiminnan kokonaan ensimmäisistä periaatteista käsin. Tärkeä ensimmäinen askel tässä pyrkimyksessä saada selville, onko painovoima kvanttimekaanista, on havaita gravitaation kauan oletettu alkeishiukkanen, gravitoni. Gravitonia etsiessään fyysikot turvautuvat nyt kokeisiin, joissa käytetään mikroskooppisia suprajohteita, vapaasti putoavia kiteitä ja alkuräjähdyksen jälkihehkua.
Kvanttimekaniikan mukaan kaikki koostuu kvanteista eli energiapaketeista, jotka voivat käyttäytyä sekä hiukkasina että aaltoina – esimerkiksi valon kvanttikvantteja kutsutaan fotoneiksi. Gravitonien, gravitaation hypoteettisten kvanttien, havaitseminen todistaisi, että gravitaatio on kvanttimekaniikkaa. Ongelmana on, että gravitaatio on poikkeuksellisen heikko. Fyysikko Freeman Dyson totesi tunnetusti, että gravitonien havaitsemiseksi suoraan gravitonilla olisi oltava niin suuri massa, että se romahtaisi itseensä ja muodostaisi mustan aukon.
”Yksi kvanttigravitaatioteorioiden ongelmista on se, että niiden ennusteita on yleensä lähes mahdotonta testata kokeellisesti”, sanoo hollantilaisen Delftin teknillisen yliopiston kvanttifyysikko Richard Norte. ”Tämä on pääsyy siihen, miksi kilpailevia teorioita on niin paljon ja miksi emme ole onnistuneet ymmärtämään, miten se todellisuudessa toimii.”
Vuonna 2015 teoreettinen fyysikko James Quach, joka työskentelee nykyään Adelaiden yliopistossa Australiassa, ehdotti kuitenkin tapaa havaita gravitonit hyödyntämällä niiden kvanttiluonnetta. Kvanttimekaniikan mukaan maailmankaikkeus on luonnostaan epäselvä – esimerkiksi hiukkasen sijaintia ja liikemäärää ei voi koskaan tietää absoluuttisesti yhtä aikaa. Yksi tämän epävarmuuden seuraus on se, että tyhjiö ei ole koskaan täysin tyhjä, vaan siinä vilisee niin sanottujen virtuaalihiukkasten ”kvanttivaahto”, joka on jatkuvasti olemassa ja poissa. Nämä aavemaiset entiteetit voivat olla mitä tahansa kvantteja, myös gravitoneita.
Vuosikymmeniä sitten tutkijat havaitsivat, että virtuaalihiukkaset voivat tuottaa havaittavia voimia. Esimerkiksi Casimir-ilmiö on kahden tyhjiössä lähellä toisiaan olevan peilin välillä havaittava vetovoima tai hylkiminen. Nämä heijastavat pinnat liikkuvat virtuaalisten fotonien synnyttämän voiman vuoksi, joka vilkkuu sisään ja ulos. Aiemmat tutkimukset viittasivat siihen, että suprajohteet saattaisivat heijastaa gravitaatioita voimakkaammin kuin tavallinen aine, joten Quach laski, että kahden ohuen suprajohtavan levyn välisten vuorovaikutusten etsiminen tyhjiössä voisi paljastaa painovoiman Casimir-ilmiön. Tuloksena syntyvä voima voisi olla noin 10 kertaa voimakkaampi kuin tavallisesta virtuaalifotoniin perustuvasta Casimir-ilmiöstä odotettavissa oleva voima.
Viime aikoina Norte kollegoineen kehitti mikrosirun tämän kokeen suorittamiseksi. Tällä sirulla oli kaksi mikroskooppisen pientä alumiinipinnoitettua levyä, jotka jäähdytettiin lähes absoluuttiseen nollaan niin, että niistä tuli suprajohtavia. Toinen levy oli kiinnitetty liikkuvaan peiliin, ja peiliin ammuttiin laser. Jos levyt liikkuivat painovoiman aiheuttaman Casimir-ilmiön vuoksi, peilistä heijastuvan valon taajuus muuttui mitattavasti. Kuten Physical Review Letters -lehdessä 20. heinäkuuta julkaistussa artikkelissa kerrotaan, tutkijat eivät havainneet minkäänlaista painovoiman aiheuttamaa Casimir-ilmiötä. Tämä nollatulos ei välttämättä sulje pois gravitonien olemassaoloa – ja siten gravitaation kvanttiluonnetta. Pikemminkin se voi yksinkertaisesti tarkoittaa, että gravitonit eivät vuorovaikuta suprajohteiden kanssa niin voimakkaasti kuin aiemmissa tutkimuksissa on arvioitu, sanoo kvantifyysikko ja Nobel-palkittu Frank Wilczek Massachusetts Institute of Technologysta, joka ei osallistunut tähän tutkimukseen eikä ollut yllättynyt sen nollatuloksesta. Siitä huolimatta, Quach sanoo, tämä ”oli rohkea yritys havaita gravitoneita.”
Vaikka Norten mikrosirulla ei saatu selville, onko painovoima kvanttivoimaa, muut tutkijat pyrkivät monin eri tavoin löytämään painovoiman kvanttivaikutuksia. Esimerkiksi vuonna 2017 kaksi toisistaan riippumatonta tutkimusta ehdotti, että jos gravitaatio on kvantti, se voisi synnyttää hiukkasten välille niin sanotun ”kietoutumisen”, jolloin yksi hiukkanen vaikuttaa välittömästi toiseen riippumatta siitä, missä kumpikin sijaitsee kosmoksessa. Lasersäteitä ja mikroskooppisia timantteja käyttävä pöytälaatikkokokeilu voisi auttaa tällaisen gravitaatioon perustuvan kietoutumisen etsimisessä. Kiteet pidettäisiin tyhjiössä, jotta ne eivät törmäisi atomeihin, joten ne vuorovaikuttaisivat keskenään pelkästään painovoiman avulla. Tutkijat antaisivat näiden timanttien pudota samanaikaisesti, ja jos painovoima on kvantti, kunkin kristallin toisiinsa kohdistama gravitaatioveto voisi kietoa ne yhteen.
Tutkijat etsisivät kietoutumista säteilemällä laseria kunkin timantin sydämeen pudotuksen jälkeen. Jos kiteiden keskuksissa olevat hiukkaset pyörisivät yhteen suuntaan, ne fluoresoisivat, mutta eivät, jos ne pyörisivät toiseen suuntaan. Jos molempien kiteiden spinit ovat synkronissa useammin kuin sattuma ennustaa, se viittaisi kietoutuneisuuteen. ”Kokeentekijät ympäri maailmaa ovat uteliaita ottamaan haasteen vastaan”, sanoo kvanttigravitaatiotutkija Anupam Mazumdar Groningenin yliopistosta Alankomaissa, joka on toinen yhden kietoutumistutkimuksen tekijöistä.
Toinen strategia todisteiden löytämiseksi kvanttigravitaatiosta on tarkastella kosmista mikroaaltotaustasäteilyä, alkuräjähdyksen haaleaa jälkihehkua, sanoo kosmologi Alan Guth M.I.T:stä. Gravitonien kaltaiset kvanttikvantit heilahtelevat aaltojen lailla, ja lyhyimmillä aallonpituuksilla olisi voimakkaimmat heilahtelut. Kun maailmankaikkeus laajeni huimasti sekunnin sirpaleessa alkuräjähdyksen jälkeen, Guthin laajalti tukeman kosmologisen mallin eli inflaation mukaan, nämä lyhyet aallonpituudet olisivat venyneet pidemmiksi koko maailmankaikkeudessa. Tämä todiste kvanttigravitaatiosta voisi näkyä pyörteinä kosmisesta mikroaaltotaustasäteilystä peräisin olevien fotonien polarisaatiossa eli suuntautumisessa.
Näiden B-moodeiksi kutsuttujen pyörrekuvioiden voimakkuus riippuu kuitenkin hyvin paljon inflaation tarkasta energiasta ja ajoituksesta. ”Jotkut versiot inflaatiosta ennustavat, että nämä B-moodit pitäisi löytää pian, kun taas toiset versiot ennustavat, että B-moodit ovat niin heikkoja, ettei niiden havaitsemisesta ole koskaan mitään toivoa”, Guth sanoo. ”Mutta jos ne löydetään ja niiden ominaisuudet vastaavat inflaation odotuksia, se olisi erittäin vahva todiste siitä, että gravitaatio on kvantittunut.”
Yksi keino selvittää, onko gravitaatio kvantittunut, on etsiä suoraan kvanttivaihteluita gravitaatioaalloista, joiden ajatellaan koostuvan gravitoneista, jotka syntyivät pian alkuräjähdyksen jälkeen. Laserinterferometrin gravitaatioaalto-observatorio (LIGO) havaitsi ensimmäisen kerran gravitaatioaaltoja vuonna 2016, mutta se ei ole tarpeeksi herkkä havaitsemaan varhaisessa maailmankaikkeudessa esiintyviä vaihtelevia gravitaatioaaltoja, jotka inflaatio venytti kosmisiin mittakaavoihin, Guth sanoo. Avaruudessa sijaitseva gravitaatioaaltojen observatorio, kuten Laser Interferometer Space Antenna (LISA), voisi mahdollisesti havaita nämä aallot, Wilczek lisää.
Classical and Quantum Gravity -lehdessä hiljattain hyväksytyssä artikkelissa astrofyysikko Richard Lieu Alabaman yliopistosta Huntsvillessä väittää kuitenkin, että LIGO:n olisi jo pitänyt havaita gravitonit, jos niissä on niin paljon energiaa kuin jotkin tämänhetkiset hiukkasfysiikkamallit antavat ymmärtää. Voi olla, että gravitonissa on vain odotettua vähemmän energiaa, mutta Lieun mukaan se voi myös tarkoittaa, ettei gravitonia ole olemassa. ”Jos gravitonia ei ole olemassakaan, se on hyvä uutinen useimmille fyysikoille, koska meillä on ollut niin kauheaa aikaa kehittää kvanttigravitaatioteoriaa”, Lieu sanoo.
Siltikään gravitonin eliminoivien teorioiden keksiminen ei välttämättä ole yhtään sen helpompaa kuin sen säilyttävien teorioiden keksiminen. ”Teoreettisesta näkökulmasta on hyvin vaikea kuvitella, miten gravitaatio voisi välttää kvantittumisen”, Guth sanoo. ”En ole tietoinen mistään järkevästä teoriasta siitä, miten klassinen gravitaatio voisi olla vuorovaikutuksessa kvanttiaineen kanssa, enkä osaa kuvitella, miten sellainen teoria voisi toimia.”