Alla universums fundamentala krafter är kända för att följa kvantmekanikens lagar, utom en: gravitationen. Om man hittar ett sätt att få gravitationen att passa in i kvantmekaniken skulle forskarna komma ett stort steg närmare en ”teori om allting” som helt och hållet skulle kunna förklara kosmos funktionssätt utifrån första principer. Ett avgörande första steg i denna strävan att ta reda på om gravitationen är kvantmekanisk är att upptäcka gravitationens sedan länge postulerade elementarpartikel, gravitonen. På jakt efter gravitonen vänder sig fysikerna nu till experiment med mikroskopiska supraledare, fritt fallande kristaller och efterglödet från big bang.
Kvantmekaniken föreslår att allting består av kvanta, eller energipaket, som kan bete sig som både en partikel och en våg – till exempel kallas ljuskvanta för fotoner. Att upptäcka gravitoner, gravitationens hypotetiska kvanta, skulle bevisa att gravitationen är kvantmekanisk. Problemet är att gravitationen är utomordentligt svag. För att direkt observera de minimala effekter som en graviton skulle ha på materia, som fysikern Freeman Dyson berömt påpekade, skulle en gravitondetektor behöva vara så massiv att den kollapsar på sig själv för att bilda ett svart hål.
”Ett av problemen med teorier om kvantgravitation är att deras förutsägelser vanligtvis är nästan omöjliga att testa experimentellt”, säger kvantfysikern Richard Norte vid Delft University of Technology i Nederländerna. ”Detta är den främsta anledningen till att det finns så många konkurrerande teorier och att vi inte har lyckats förstå hur det faktiskt fungerar.”
2015 föreslog dock den teoretiske fysikern James Quach, nu vid University of Adelaide i Australien, ett sätt att detektera gravitoner genom att dra nytta av deras kvantnatur. Kvantmekaniken föreslår att universum till sin natur är luddigt – till exempel kan man aldrig absolut veta en partikels position och rörelsemängd samtidigt. En konsekvens av denna osäkerhet är att ett vakuum aldrig är helt tomt, utan i stället surrar det av ett ”kvantskum” av så kallade virtuella partiklar som ständigt dyker upp och försvinner ur existensen. Dessa spöklika enheter kan vara alla slags kvanta, inklusive gravitoner.
För flera decennier sedan upptäckte forskare att virtuella partiklar kan generera påvisbara krafter. Casimireffekten är till exempel den attraktion eller repulsion som ses mellan två speglar som placeras nära varandra i vakuum. Dessa reflekterande ytor rör sig på grund av den kraft som genereras av virtuella fotoner som blinkar in och ut ur existensen. Tidigare forskning tydde på att supraledare kan reflektera gravitoner starkare än normal materia, så Quach beräknade att om man letar efter interaktioner mellan två tunna supraledande skivor i vakuum skulle man kunna upptäcka en gravitationell Casimir-effekt. Den resulterande kraften skulle kunna vara ungefär 10 gånger starkare än vad som förväntas av den vanliga virtuell-fotonbaserade Casimir-effekten.
Norte och hans kollegor har nyligen utvecklat ett mikrochip för att utföra detta experiment. Detta chip innehöll två mikroskopiska aluminiumbelagda plattor som kyldes nästan till absoluta nollpunkten så att de blev supraledande. Den ena plattan var fäst vid en rörlig spegel och en laser avfyrades mot spegeln. Om plattorna rörde sig på grund av en gravitationell Casimireffekt skulle frekvensen av det ljus som reflekterades av spegeln mätbart förskjutas. Som framgår av Physical Review Letters av den 20 juli kunde forskarna inte se någon gravitationell Casimireffekt. Detta nollresultat utesluter inte nödvändigtvis existensen av gravitoner – och därmed gravitationens kvantnatur. Det kan snarare betyda att gravitoner inte interagerar med supraledare så starkt som tidigare arbeten har beräknat, säger kvantfysikern och nobelpristagaren Frank Wilczek vid Massachusetts Institute of Technology, som inte deltog i den här studien och som inte var förvånad över det nollresultatet. Trots detta, säger Quach, var detta ”ett modigt försök att upptäcka gravitoner.”
Och även om Norte’s mikrochip inte upptäckte om gravitationen är kvantmässig, så följer andra forskare en mängd olika tillvägagångssätt för att hitta gravitationella kvanteffekter. År 2017 föreslog till exempel två oberoende studier att om gravitationen är kvantmässig skulle den kunna generera en länk som kallas för ”förvirring” mellan partiklar, så att en partikel omedelbart påverkar en annan oavsett var den ena parten befinner sig i kosmos. Ett bordsexperiment med laserstrålar och mikroskopiska diamanter kan hjälpa till att söka efter sådan gravitationsbaserad sammanflätning. Kristallerna skulle förvaras i ett vakuum för att undvika kollisioner med atomer, så de skulle interagera med varandra enbart genom gravitationen. Forskarna skulle låta dessa diamanter falla samtidigt, och om gravitationen är kvantum skulle den dragningskraft som varje kristall utövar på den andra kunna sammanflätas.
Forskarna skulle söka efter sammanflätning genom att lysa med laserstrålar i varje diamants hjärta efter fallet. Om partiklar i kristallernas centrum snurrar åt ena hållet skulle de fluorescera, men inte om de snurrar åt andra hållet. Om snurren i båda kristallerna är synkroniserade oftare än vad slumpen skulle förutsäga, skulle detta tyda på sammanflätning. ”Experimentalister över hela världen är nyfikna på att anta utmaningen”, säger kvantgravitationsforskaren Anupam Mazumdar vid universitetet i Groningen i Nederländerna, som är medförfattare till en av studierna om sammanflätning.
En annan strategi för att hitta bevis för kvantgravitation är att titta på den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen, det svaga efterljuset från big bang, säger kosmologen Alan Guth vid M.I.T. Kvantor som gravitoner fluktuerar som vågor, och de kortaste våglängderna skulle ha de mest intensiva fluktuationerna. När kosmos expanderade svindlande i storlek inom en bråkdel av en sekund efter big bang, enligt Guths allmänt stödda kosmologiska modell som kallas inflation, skulle dessa korta våglängder ha sträckt sig till längre skalor över hela universum. Detta bevis på kvantgravitation skulle kunna vara synligt som virvlar i polariseringen, eller inriktningen, av fotoner från den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen.
Intensiviteten av dessa virvelmönster, som kallas B-moder, beror dock i hög grad på den exakta energin och tidpunkten för inflationen. ”Vissa versioner av inflationen förutspår att dessa B-moder bör hittas snart, medan andra versioner förutspår att B-moderna är så svaga att det aldrig kommer att finnas något hopp om att upptäcka dem”, säger Guth. ”Men om de hittas, och egenskaperna stämmer överens med förväntningarna från inflationen, skulle det vara ett mycket starkt bevis för att gravitationen är kvantiserad.”
Ett annat sätt att ta reda på om gravitationen är kvantiserad är att leta direkt efter kvantfluktuationer i gravitationsvågor, som tros bestå av gravitoner som genererades strax efter big bang. Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) upptäckte gravitationsvågor för första gången 2016, men det är inte tillräckligt känsligt för att upptäcka de fluktuerande gravitationsvågorna i det tidiga universum som inflationen sträckte sig till kosmiska skalor, säger Guth. Ett gravitationsvågsobservatorium i rymden, till exempel Laser Interferometer Space Antenna (LISA), skulle eventuellt kunna upptäcka dessa vågor, tillägger Wilczek.
I en artikel som nyligen godkändes av tidskriften Classical and Quantum Gravity hävdar dock astrofysikern Richard Lieu vid University of Alabama, Huntsville, att LIGO redan borde ha upptäckt gravitoner om de bär på så mycket energi som vissa nuvarande modeller för partikelfysik föreslår. Det kan vara så att gravitonerna bara har mindre energi än förväntat, men Lieu menar att det också kan betyda att gravitonerna inte existerar. ”Om gravitonen inte alls existerar kommer det att vara goda nyheter för de flesta fysiker, eftersom vi har haft en så hemsk tid med att utveckla en teori om kvantgravitation”, säger Lieu.
Det kan ändå inte vara lättare att utforma teorier som eliminerar gravitonen än att utforma teorier som behåller den. ”Ur teoretisk synvinkel är det mycket svårt att föreställa sig hur gravitationen skulle kunna undvika att bli kvantiserad”, säger Guth. ”Jag känner inte till någon vettig teori om hur klassisk gravitation skulle kunna interagera med kvantmateria, och jag kan inte föreställa mig hur en sådan teori skulle kunna fungera.”