Wszystkie fundamentalne siły wszechświata są znane z tego, że podążają za prawami mechaniki kwantowej, z wyjątkiem jednej: grawitacji. Znalezienie sposobu na dopasowanie grawitacji do mechaniki kwantowej przybliżyłoby naukowców do „teorii wszystkiego”, która mogłaby całkowicie wyjaśnić działanie kosmosu na podstawie pierwszych zasad. Kluczowym pierwszym krokiem w tym dążeniu do ustalenia, czy grawitacja jest kwantowa, jest wykrycie od dawna postulowanej cząstki elementarnej grawitacji – grawitonu. W poszukiwaniu grawitonu fizycy zwracają się teraz ku eksperymentom z udziałem mikroskopijnych nadprzewodników, swobodnie spadających kryształów i poświaty wielkiego wybuchu.
Mechanika kwantowa sugeruje, że wszystko składa się z kwantów, czyli pakietów energii, które mogą zachowywać się zarówno jak cząstka, jak i fala – na przykład kwanty światła nazywane są fotonami. Wykrycie grawitonów, hipotetycznych kwantów grawitacji, udowodniłoby, że grawitacja jest kwantowa. Problem polega na tym, że grawitacja jest niezwykle słaba. Aby bezpośrednio zaobserwować znikome efekty, jakie grawiton miałby na materię, fizyk Freeman Dyson słynnie zauważył, detektor grawitonów musiałby być tak masywny, że zapadłby się na siebie, tworząc czarną dziurę.
„Jednym z problemów z teoriami kwantowej grawitacji jest to, że ich przewidywania są zazwyczaj prawie niemożliwe do eksperymentalnego przetestowania”, mówi fizyk kwantowy Richard Norte z Delft University of Technology w Holandii. „To główny powód, dla którego istnieje tak wiele konkurencyjnych teorii i dlaczego nie udało nam się zrozumieć, jak to właściwie działa.”
W 2015 roku jednak fizyk teoretyczny James Quach, obecnie na Uniwersytecie w Adelajdzie w Australii, zasugerował sposób na wykrycie grawitonów poprzez wykorzystanie ich kwantowej natury. Mechanika kwantowa sugeruje, że wszechświat jest z natury rozmyty – na przykład nigdy nie można absolutnie poznać pozycji i pędu cząstki w tym samym czasie. Jedną z konsekwencji tej niepewności jest to, że próżnia nigdy nie jest całkowicie pusta, ale zamiast tego brzęczy „kwantową pianą” tak zwanych wirtualnych cząstek, które nieustannie pojawiają się i znikają. Te widmowe byty mogą być dowolnego rodzaju kwantami, w tym grawitonami.
Dziesiątki lat temu naukowcy odkryli, że cząstki wirtualne mogą generować wykrywalne siły. Na przykład, efekt Casimira jest przyciąganiem lub odpychaniem widzianym pomiędzy dwoma lustrami umieszczonymi blisko siebie w próżni. Te odbijające powierzchnie poruszają się z powodu siły generowanej przez wirtualne fotony mrugające w i z istnienia. Wcześniejsze badania sugerowały, że nadprzewodniki mogą odbijać grawitony silniej niż zwykła materia, więc Quach obliczył, że poszukiwanie oddziaływań pomiędzy dwoma cienkimi arkuszami nadprzewodnika w próżni może ujawnić grawitacyjny efekt Casimira. Wynikająca z tego siła mogłaby być około 10 razy silniejsza niż ta oczekiwana od standardowego efektu Casimira opartego na wirtualnych fotonach.
Ostatnio Norte i jego koledzy opracowali mikroprocesor do przeprowadzenia tego eksperymentu. Chip ten posiadał dwie mikroskopijne płytki pokryte aluminium, które zostały schłodzone prawie do zera absolutnego, tak że stały się nadprzewodnikami. Jedna płytka została przymocowana do ruchomego lustra, a laser został wystrzelony na to lustro. Gdyby płytki poruszały się z powodu grawitacyjnego efektu Casimira, częstotliwość światła odbijającego się od lustra zmieniłaby się w sposób mierzalny. Jak wyszczególniono 20 lipca w Physical Review Letters, naukowcom nie udało się zaobserwować żadnego grawitacyjnego efektu Casimira. Ten zerowy wynik nie musi wykluczać istnienia grawitonów, a tym samym kwantowej natury grawitacji. Raczej może to po prostu oznaczać, że grawitony nie oddziałują z nadprzewodnikami tak silnie, jak wcześniejsze prace szacowały, mówi fizyk kwantowy i laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek z Massachusetts Institute of Technology, który nie brał udziału w tych badaniach i nie był zaskoczony ich zerowymi wynikami. Mimo to, mówi Quach, to „była odważna próba wykrycia grawitonów.”
Ale mikroprocesor Norte’a nie odkrył, czy grawitacja jest kwantowa, inni naukowcy dążą do różnych podejść, aby znaleźć grawitacyjne efekty kwantowe. Na przykład w 2017 roku dwa niezależne badania zasugerowały, że jeśli grawitacja jest kwantowa, może ona generować związek znany jako „splątanie” między cząstkami, tak że jedna cząstka natychmiastowo wpływa na drugą bez względu na to, gdzie którakolwiek z nich znajduje się w kosmosie. Eksperyment z użyciem wiązek laserowych i mikroskopijnych diamentów może pomóc w poszukiwaniu takiego grawitacyjnego splątania. Kryształy byłyby trzymane w próżni, aby uniknąć kolizji z atomami, więc oddziaływałyby ze sobą wyłącznie poprzez grawitację. Naukowcy pozwoliliby tym diamentom spaść w tym samym czasie, a jeśli grawitacja jest kwantowa, grawitacyjne przyciąganie, jakie każdy kryształ wywiera na inny, mogłoby je splątać razem.
Badacze szukaliby splątania, świecąc laserami w serce każdego diamentu po upadku. Jeśli cząsteczki w centrach kryształów obracają się w jedną stronę, będą fluoryzować, ale nie będą, jeśli obracają się w drugą stronę. Jeśli spiny w obu kryształach są zsynchronizowane częściej niż przewidywałby to przypadek, sugerowałoby to splątanie. „Eksperymentatorzy na całym świecie są ciekawi, czy podejmą to wyzwanie” – mówi Anupam Mazumdar z Uniwersytetu Groningen w Holandii, współautor jednego z badań nad splątaniem.
Inną strategią znalezienia dowodów na kwantową grawitację jest przyjrzenie się kosmicznemu mikrofalowemu promieniowaniu tła, słabej poświacie wielkiego wybuchu, mówi kosmolog Alan Guth z M.I.T. Kwanty takie jak grawitony fluktuują jak fale, a najkrótsze fale miałyby najbardziej intensywne fluktuacje. Kiedy kosmos rozszerzył się w oszałamiający sposób w ciągu ułamka sekundy po wielkim wybuchu, zgodnie z szeroko popieranym przez Gutha modelem kosmologicznym znanym jako inflacja, te krótkie fale rozciągnęłyby się na dłuższe skale w całym wszechświecie. Ten dowód kwantowej grawitacji mógłby być widoczny jako wiry w polaryzacji, lub wyrównaniu, fotonów z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła.
Jednakże intensywność tych wzorów wirów, znanych jako B-modes, zależy bardzo od dokładnej energii i czasu inflacji. „Niektóre wersje inflacji przewidują, że te B-mody powinny być wkrótce znalezione, podczas gdy inne wersje przewidują, że B-mody są tak słabe, że nigdy nie będzie żadnej nadziei na ich wykrycie” – mówi Guth. „Ale jeśli zostaną znalezione, a ich właściwości będą zgodne z oczekiwaniami inflacji, będzie to bardzo mocny dowód na to, że grawitacja jest skwantowana.”
Jeszcze jednym sposobem, aby dowiedzieć się, czy grawitacja jest kwantowa, jest bezpośrednie poszukiwanie kwantowych fluktuacji w falach grawitacyjnych, które, jak się uważa, składają się z grawitonów, które zostały wygenerowane krótko po wielkim wybuchu. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) po raz pierwszy wykrył fale grawitacyjne w 2016 roku, ale nie jest wystarczająco czuły, aby wykryć fluktuacje fal grawitacyjnych we wczesnym wszechświecie, które inflacja rozciągnęła do skali kosmicznej, mówi Guth. Obserwatorium fal grawitacyjnych w kosmosie, takie jak Laser Interferometer Space Antenna (LISA), mogłoby potencjalnie wykryć te fale, dodaje Wilczek.
W pracy niedawno zaakceptowanej przez czasopismo Classical and Quantum Gravity, jednak astrofizyk Richard Lieu z University of Alabama, Huntsville, argumentuje, że LIGO powinno już wykryć grawitony, jeśli niosą one tyle energii, ile sugerują niektóre obecne modele fizyki cząstek. Może być tak, że grawiton po prostu ma mniej energii niż oczekiwano, ale Lieu sugeruje, że może to również oznaczać, że grawiton nie istnieje. „Jeśli grawiton w ogóle nie istnieje, będzie to dobra wiadomość dla większości fizyków, ponieważ mieliśmy tak straszny czas w rozwoju teorii kwantowej grawitacji,” mówi Lieu.
Jeszcze, opracowanie teorii, które eliminują grawiton może nie być łatwiejsze niż opracowanie teorii, które go utrzymują. „Z teoretycznego punktu widzenia, bardzo trudno jest sobie wyobrazić, jak grawiton mógłby uniknąć kwantowania” – mówi Guth. „Nie znam żadnej sensownej teorii tego, jak klasyczna grawitacja mogłaby oddziaływać z materią kwantową i nie potrafię sobie wyobrazić, jak taka teoria mogłaby działać.”
.