Se știe că toate forțele fundamentale ale universului urmează legile mecanicii cuantice, cu excepția uneia: gravitația. Găsirea unei modalități de a încadra gravitația în mecanica cuantică ar aduce oamenii de știință cu un pas uriaș mai aproape de o „teorie a tuturor lucrurilor” care ar putea explica în întregime funcționarea cosmosului pornind de la primele principii. Un prim pas crucial în această căutare pentru a afla dacă gravitația este cuantică este detectarea particulei elementare a gravitației, mult timp postulată, gravitonul. În căutarea gravitonului, fizicienii se îndreaptă acum spre experimente care implică supraconductori microscopici, cristale în cădere liberă și strălucirea de după Big Bang.

Mecanica cuantică sugerează că totul este alcătuit din cuante, sau pachete de energie, care se pot comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă – de exemplu, cuantele de lumină sunt numite fotoni. Detectarea gravitonilor, cuantele ipotetice ale gravitației, ar dovedi că gravitația este cuantică. Problema este că gravitația este extraordinar de slabă. Pentru a observa în mod direct efectele minuscule pe care un graviton le-ar avea asupra materiei, fizicianul Freeman Dyson a remarcat în mod faimos, un detector de gravitoni ar trebui să fie atât de masiv încât să se prăbușească pe el însuși pentru a forma o gaură neagră.

„Una dintre problemele cu teoriile gravitației cuantice este că predicțiile lor sunt, de obicei, aproape imposibil de testat experimental”, spune fizicianul cuantic Richard Norte de la Universitatea de Tehnologie Delft din Olanda. „Acesta este principalul motiv pentru care există atât de multe teorii concurente și pentru care nu am reușit să înțelegem cum funcționează de fapt.”

În 2015, totuși, fizicianul teoretician James Quach, acum la Universitatea din Adelaide, Australia, a sugerat o modalitate de a detecta gravitonii profitând de natura lor cuantică. Mecanica cuantică sugerează că universul este în mod inerent neclar – de exemplu, nu se poate cunoaște niciodată în mod absolut poziția și impulsul unei particule în același timp. O consecință a acestei incertitudini este faptul că vidul nu este niciodată complet gol, ci vibrează cu o „spumă cuantică” de așa-numite particule virtuale care apar și dispar în mod constant. Aceste entități fantomatice pot fi orice fel de cuante, inclusiv gravitoni.

Cu câteva decenii în urmă, oamenii de știință au descoperit că particulele virtuale pot genera forțe detectabile. De exemplu, efectul Casimir este atracția sau repulsia observată între două oglinzi plasate aproape una de cealaltă în vid. Aceste suprafețe reflectorizante se mișcă datorită forței generate de fotonii virtuali care intră și ies din existență. Cercetări anterioare au sugerat că supraconductorii ar putea reflecta gravitonii mai puternic decât materia normală, astfel încât Quach a calculat că cercetarea interacțiunilor dintre două foi subțiri supraconductoare în vid ar putea dezvălui un efect Casimir gravitațional. Forța rezultată ar putea fi de aproximativ 10 ori mai puternică decât cea așteptată de la efectul Casimir standard bazat pe fotoni virtuali.

Recent, Norte și colegii săi au dezvoltat un microcip pentru a realiza acest experiment. Acest cip conținea două plăci microscopice acoperite cu aluminiu care au fost răcite aproape la zero absolut, astfel încât au devenit supraconductoare. Una dintre plăci a fost atașată la o oglindă mobilă, iar un laser a fost tras spre acea oglindă. Dacă plăcile se mișcau din cauza unui efect gravitațional Casimir, frecvența luminii care se reflecta pe oglindă se schimba în mod măsurabil. După cum se detaliază online la 20 iulie în Physical Review Letters, cercetătorii nu au reușit să observe niciun efect Casimir gravitațional. Acest rezultat nul nu exclude neapărat existența gravitonilor – și, prin urmare, natura cuantică a gravitației. Mai degrabă, ar putea însemna pur și simplu că gravitonii nu interacționează cu supraconductorii atât de puternic pe cât estimau lucrările anterioare, spune fizicianul cuantic și laureat al premiului Nobel Frank Wilczek de la Massachusetts Institute of Technology, care nu a participat la acest studiu și nu a fost surprins de rezultatele sale nule. Chiar și așa, spune Quach, aceasta „a fost o încercare curajoasă de a detecta gravitoni.”

Deși microcipul lui Norte nu a descoperit dacă gravitația este cuantică, alți oameni de știință urmăresc o varietate de abordări pentru a găsi efecte cuantice gravitaționale. De exemplu, în 2017, două studii independente au sugerat că, dacă gravitația este cuantică, aceasta ar putea genera o legătură cunoscută sub numele de „entanglement” între particule, astfel încât o particulă să influențeze instantaneu o alta, indiferent de locul în care se află oricare dintre ele în cosmos. Un experiment de masă care utilizează raze laser și diamante microscopice ar putea ajuta la căutarea unei astfel de încurcături bazate pe gravitație. Cristalele ar fi ținute în vid pentru a evita coliziunile cu atomii, astfel încât acestea ar interacționa între ele doar prin intermediul gravitației. Oamenii de știință ar lăsa aceste diamante să cadă în același timp și, dacă gravitația este cuantică, atracția gravitațională pe care fiecare cristal o exercită asupra celuilalt ar putea să le înlănțuie împreună.

Cercetătorii ar căuta entanglementul prin strălucirea laserelor în inima fiecărui diamant după cădere. Dacă particulele din centrele cristalelor se rotesc într-un sens, acestea ar deveni fluorescente, dar nu și dacă se rotesc în celălalt sens. Dacă rotirile din ambele cristale sunt sincronizate mai des decât ar fi prezis întâmplarea, acest lucru ar sugera o încurcătură. „Experimentatorii din întreaga lume sunt curioși să accepte provocarea”, spune cercetătorul în domeniul gravitației cuantice Anupam Mazumdar de la Universitatea Groningen din Olanda, coautor al unuia dintre studiile de entanglement.

O altă strategie pentru a găsi dovezi pentru gravitația cuantică este să ne uităm la radiația cosmică de fond cu microunde, slaba strălucire de după big bang, spune cosmologul Alan Guth de la M.I.T. Cuantele precum gravitonii fluctuează ca niște unde, iar cele mai scurte lungimi de undă ar avea cele mai intense fluctuații. Atunci când cosmosul s-a extins uimitor de mult în dimensiuni într-o fărâmă de secundă după big bang, conform modelului cosmologic susținut pe scară largă al lui Guth, cunoscut sub numele de inflație, aceste lungimi de undă scurte s-ar fi întins la scări mai mari în tot universul. Această dovadă a gravitației cuantice ar putea fi vizibilă sub forma unor vârtejuri în polarizarea, sau alinierea, fotonilor din radiația cosmică de fond cu microunde.

Cu toate acestea, intensitatea acestor modele de vârtejuri, cunoscute sub numele de moduri B, depinde foarte mult de energia exactă și de momentul inflației. „Unele versiuni ale inflației prezic că aceste moduri B ar trebui să fie găsite în curând, în timp ce alte versiuni prezic că modurile B sunt atât de slabe încât nu va exista nicio speranță de a le detecta”, spune Guth. „Dar dacă sunt găsite, iar proprietățile corespund așteptărilor din inflație, ar fi o dovadă foarte puternică că gravitația este cuantificată.”

O altă modalitate de a afla dacă gravitația este cuantică este de a căuta direct fluctuațiile cuantice în undele gravitaționale, despre care se crede că sunt alcătuite din gravitoni care au fost generați la scurt timp după big bang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) a detectat pentru prima dată undele gravitaționale în 2016, dar nu este suficient de sensibil pentru a detecta undele gravitaționale fluctuante din universul timpuriu pe care inflația le-a întins la scară cosmică, spune Guth. Un observator de unde gravitaționale în spațiu, cum ar fi Laser Interferometer Space Antenna (LISA), ar putea, potențial, să detecteze aceste unde, adaugă Wilczek.

Într-o lucrare acceptată recent de revista Classical and Quantum Gravity, totuși, astrofizicianul Richard Lieu de la Universitatea din Alabama, Huntsville, susține că LIGO ar fi trebuit să detecteze deja gravitonii dacă aceștia transportă atât de multă energie precum sugerează unele modele actuale de fizică a particulelor. S-ar putea ca gravitonul să aibă mai puțină energie decât se așteaptă, dar Lieu sugerează că acest lucru ar putea însemna, de asemenea, că gravitonul nu există. „Dacă gravitonul nu există deloc, va fi o veste bună pentru majoritatea fizicienilor, din moment ce am avut o perioadă atât de groaznică în dezvoltarea unei teorii a gravitației cuantice”, spune Lieu.

Cu toate acestea, conceperea unor teorii care să elimine gravitonul s-ar putea să nu fie mai ușoară decât conceperea unor teorii care să-l păstreze. „Din punct de vedere teoretic, este foarte greu de imaginat cum ar putea gravitația să evite să fie cuantificată”, spune Guth. „Nu am cunoștință de nicio teorie sensibilă despre modul în care gravitația clasică ar putea interacționa cu materia cuantică și nu-mi pot imagina cum ar putea funcționa o astfel de teorie”

.