A világegyetem minden alapvető ereje a kvantummechanika törvényeit követi, kivéve egyet: a gravitációt. Ha megtalálnák a módját annak, hogy a gravitációt beillesszék a kvantummechanikába, az egy óriási lépéssel közelebb hozná a tudósokat a “mindenek elméletéhez”, amely teljes egészében megmagyarázná a kozmosz működését az első elvekből kiindulva. A gravitáció kvantumszerűségének megismerésére irányuló kutatás első fontos lépése a gravitáció régóta feltételezett elemi részecskéjének, a gravitonnak a kimutatása. A gravitont keresve a fizikusok most mikroszkopikus szupravezetőkkel, szabadon zuhanó kristályokkal és az ősrobbanás utófényével végzett kísérletekhez fordulnak.
A kvantummechanika szerint minden kvantumokból, azaz energiacsomagokból áll, amelyek egyszerre viselkedhetnek részecskeként és hullámként – a fénykvantumokat például fotonoknak nevezik. A gravitonok, a gravitáció hipotetikus kvantumainak kimutatása bizonyítaná, hogy a gravitáció kvantumos. A probléma az, hogy a gravitáció rendkívül gyenge. Ahhoz, hogy közvetlenül megfigyelhessük a gravitonok anyagra gyakorolt parányi hatását – jegyezte meg Freeman Dyson fizikus -, egy gravitondetektornak olyan masszívnak kellene lennie, hogy önmagába omolva fekete lyukat képezzen.
“A kvantumgravitációs elméletek egyik problémája, hogy a jóslataikat általában szinte lehetetlen kísérletileg tesztelni” – mondja Richard Norte kvantumfizikus a hollandiai Delft Műszaki Egyetemről. “Ez a fő oka annak, hogy miért létezik olyan sok konkurens elmélet, és miért nem sikerült eddig megértenünk, hogyan is működik valójában.”
2015-ben azonban James Quach elméleti fizikus, aki jelenleg az ausztráliai Adelaide-i Egyetemen dolgozik, javaslatot tett arra, hogyan lehetne a gravitonokat a kvantumtermészetüket kihasználva kimutatni. A kvantummechanika szerint a világegyetem eredendően homályos – például egy részecske helyzetét és lendületét soha nem ismerhetjük meg teljesen egyszerre. Ennek a bizonytalanságnak az egyik következménye, hogy a vákuum sosem teljesen üres, ehelyett az úgynevezett virtuális részecskék “kvantumhabja” zsibong, amelyek állandóan felbukkannak és eltűnnek a létezésből. Ezek a kísérteties entitások bármilyen kvantumok lehetnek, beleértve a gravitonokat is.
A tudósok évtizedekkel ezelőtt rájöttek, hogy a virtuális részecskék kimutatható erőket képesek létrehozni. A Casimir-effektus például a vákuumban közel egymáshoz elhelyezett két tükör között észlelhető vonzás vagy taszítás. Ezek a tükröződő felületek a be- és kikacsintó virtuális fotonok által keltett erő hatására mozognak. Korábbi kutatások azt sugallták, hogy a szupravezetők erősebben verhetik vissza a gravitonokat, mint a normál anyag, ezért Quach kiszámolta, hogy a vákuumban két vékony szupravezető lap közötti kölcsönhatások keresése felfedheti a gravitációs Casimir-hatást. A keletkező erő nagyjából tízszer erősebb lehet, mint amit a szokásos virtuális-foton alapú Casimir-effektusból várnánk.
Nemrég Norte és kollégái kifejlesztettek egy mikrochipet, amellyel ezt a kísérletet el lehet végezni. Ez a chip két mikroszkopikus méretű, alumíniummal bevont lemezt tartott, amelyeket majdnem abszolút nullára hűtöttek, így szupravezetővé váltak. Az egyik lemezt egy mozgatható tükörre erősítették, és erre a tükörre lézert lőttek. Ha a lemezek a gravitációs Casimir-hatás miatt elmozdultak, a tükörről visszaverődő fény frekvenciája mérhetően eltolódott. Amint azt a Physical Review Letters című folyóirat július 20-i online kiadásában részletezték, a tudósok nem tapasztaltak gravitációs Casimir-hatást. Ez a nullás eredmény nem feltétlenül zárja ki a gravitonok létezését – és így a gravitáció kvantumtermészetét. Inkább azt jelentheti, hogy a gravitonok nem lépnek olyan erős kölcsönhatásba a szupravezetőkkel, mint ahogy azt a korábbi munkák becsülték – mondja Frank Wilczek kvantumfizikus és Nobel-díjas fizikus a Massachusetts Institute of Technology-ról, aki nem vett részt a vizsgálatban, és nem lepődött meg a nullás eredményen. Ennek ellenére, mondja Quach, ez “bátor kísérlet volt a gravitonok kimutatására.”
Noha Norte mikrochipje nem fedezte fel, hogy a gravitáció kvantum-e, más tudósok különböző megközelítéseket folytatnak a gravitációs kvantumhatások megtalálására. Például 2017-ben két egymástól független tanulmány felvetette, hogy ha a gravitáció kvantumos, akkor létrehozhat egy “összefonódás” néven ismert kapcsolatot a részecskék között, így az egyik részecske azonnal befolyásolja a másikat, függetlenül attól, hogy bármelyikük hol helyezkedik el a kozmoszban. Egy lézersugarakat és mikroszkopikus gyémántokat használó asztali kísérlet segíthet az ilyen gravitációs alapú összefonódás felkutatásában. A kristályokat vákuumban tartanák, hogy elkerüljék az atomokkal való ütközést, így csak a gravitáció révén lépnének kölcsönhatásba egymással. A tudósok egyszerre engednék leesni ezeket a gyémántokat, és ha a gravitáció kvantum, akkor az egyes kristályok egymásra gyakorolt gravitációs vonzása összekapcsolhatná őket.
A kutatók úgy keresnék az összefonódást, hogy az esés után lézerrel világítanának az egyes gyémántok szívébe. Ha a kristályok középpontjában lévő részecskék az egyik irányba pörögnének, akkor fluoreszkálnának, de ha a másik irányba pörögnének, akkor nem. Ha a két kristályban a pörgések gyakrabban vannak szinkronban, mint azt a véletlen előre jelezné, az összefonódásra utalna. “A kísérletezők világszerte kíváncsiak a kihívásra” – mondja Anupam Mazumdar, a hollandiai Groningeni Egyetem kvantumgravitáció-kutatója, az egyik összefonódási tanulmány társszerzője.
A másik stratégia a kvantumgravitáció bizonyítékának megtalálására a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, az ősrobbanás halvány utófényének vizsgálata, mondja Alan Guth, az M.I.T. kozmológusa. Az olyan kvantumok, mint a gravitonok, hullámokként fluktuálnak, és a legrövidebb hullámhosszúaknak lenne a legintenzívebb az ingadozásuk. Amikor a kozmosz az ősrobbanás után egy másodperc töredéke alatt elképesztő méretűre tágult – Guth széles körben támogatott kozmológiai modellje, az úgynevezett infláció szerint -, ezek a rövid hullámhosszok hosszabb léptékűvé nyúltak volna a világegyetemben. A kvantumgravitációnak ez a bizonyítéka a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásból származó fotonok polarizációjában, vagyis igazodásában megjelenő örvények formájában lehetne látható.
Az örvények ezen, B-módusoknak nevezett mintázatainak intenzitása azonban nagyban függ az infláció pontos energiájától és időzítésétől. “Az infláció egyes változatai azt jósolják, hogy ezeket a B-módusokat hamarosan meg kell találni, míg más változatok szerint a B-módusok olyan gyengék, hogy soha nem lesz remény a kimutatásukra” – mondja Guth. “De ha megtaláljuk őket, és a tulajdonságaik megfelelnek az inflációval kapcsolatos várakozásoknak, az nagyon erős bizonyíték lenne arra, hogy a gravitáció kvantált.”
Egy további módja annak, hogy kiderítsük, hogy a gravitáció kvantált-e, az, hogy közvetlenül keressük a gravitációs hullámok kvantumfluktuációit, amelyekről úgy gondolják, hogy röviddel az ősrobbanás után keletkezett gravitonokból állnak. A Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) 2016-ban észlelte először a gravitációs hullámokat, de Guth szerint nem elég érzékeny ahhoz, hogy a korai univerzumban az infláció által kozmikus léptékűvé nyúlt fluktuáló gravitációs hullámokat észlelje. Egy gravitációs hullámobszervatórium az űrben, mint például a Lézer Interferométeres Űrantenna (LISA), potenciálisan észlelhetné ezeket a hullámokat, teszi hozzá Wilczek.
A Classical and Quantum Gravity című folyóiratban nemrég elfogadott tanulmányában azonban Richard Lieu asztrofizikus a Huntsville-i Alabama Egyetemről azt állítja, hogy a LIGO-nak már észlelnie kellett volna a gravitonokat, ha azok annyi energiát hordoznak, amennyit a részecskefizika néhány jelenlegi modellje sugall. Lehet, hogy a graviton csak a vártnál kevesebb energiát hordoz, de Lieu szerint ez azt is jelentheti, hogy a graviton nem is létezik. “Ha a graviton egyáltalán nem létezik, az jó hír lesz a legtöbb fizikus számára, mivel olyan szörnyű dolgunk volt a kvantumgravitáció elméletének kidolgozásában” – mondja Lieu.
Mégis, a gravitont megszüntető elméletek kidolgozása nem biztos, hogy könnyebb, mint a gravitont megtartó elméletek kidolgozása. “Elméleti szempontból nagyon nehéz elképzelni, hogy a gravitáció hogyan kerülhetné el a kvantálást” – mondja Guth. “Nem ismerek semmilyen értelmes elméletet arról, hogy a klasszikus gravitáció hogyan léphetne kölcsönhatásba a kvantumanyaggal, és nem tudom elképzelni, hogy egy ilyen elmélet hogyan működhetne.”