Mokslininkai priartėjo prie didžiausios fizikos paslapties įminimo

Tai, kas nutiks vėliau, priklauso nuo to, kuri iš dviejų itin gerai išnagrinėtų, bet tarpusavy prieštaraujančių teorijų yra teisinga: kvantinės mechanikos ar A. Einsteino bendroji reliatyvimo. Pirmoji teorija aprašo Visatos savybes labai smulkiu masteliu, antroji – labai stambiu, rašo simonsfoundation.org.

Pasireiškus keistam kvantinės mechanikos efektui, vadinamam „superpozicija“, fotonas vienu metu ir kerta veidrodį, ir nuo jo atsispindi. O tuomet jis ir atsitrenkia į rutuliuką, ir neatsitrenkia. Jeigu kvantinė mechanika yra veiksminga makroskopiniame lygmenyje, tuomet kamuoliukas ir pradės svyruoti, ir išliks rimties būsenoje. O kadangi rutuliukas turi masę, tai ir jo gravitacinis laukas skils į superpoziciją.

Tačiau bendroji reliatyvumo teorija aiškina, kad gravitacija iškreipia erdvę ir laiką aplink rutuliuką. Teorija negali leisti, kad erdvė ir laikas išsikreiptų dviem skirtingais būdais, kurie destabilizuotų superpoziciją, todėl rutuliukui tektų privalomai būti arba vienoje būsenoje, arba kitoje.

Žinodami, kas kamuoliukui nutiks, fizikai galėtų ieškoti sprendimo vienam iš svarbiausių fizikinių konfliktų tarp kvantinės mechanikos ir bendrojo reliatyvumo. Tačiau ilgai buvo manoma, kad tokie eksperimentai yra neįmanomi. Mat kvantinės superpozicijos būseną įmanoma sukelti tik fotono dydžio objektams, o pastebimą gravitacinį lauką turi tik rutuliuko dydžio objektai. Kvantinė mechanika ir bendrasis reliatyvumas dominuoja visiškai skirtingose srityse ir panašu, kad jos konverguoja tik neįtikėtinai tankiose kvantinių matmenų juodosiose skylėse. Kaip 2004 metais rašė fizikas Freemanas Dysonas, laboratorijoje „bet kokie skirtumai tarp jų prognozių yra fiziškai neišmatuojami“.

Per pastaruosius dvejus metus ši paplitusi nuomonė ėmė keistis. Vis didinant fizikinių instrumentų tikslumą ir atrandant išmintingų būdų netiesiogiai išmatuoti sunkiai pastebimus dalykus, eksperimentuotojai nusprendė ištirti kvantinės mechanikos ir bendrojo reliatyvumo sąveiką panašiame eksperimente, kaip su fotonu ir rutuliuku. Taigi, naujos eksperimentinės galimybės gali atgaivinti kelių dešimtmečių senumo idėją sukurti kvantinės gravitacijos teoriją.

„Pati didžiausia visos fizikos užduotis – sutaikyti gravitaciją su kvantine mechanika. Ir staiga paaiškėjo, kad yra tokia galimybė“, – sakė Britų Kolumbijos universiteto (JAV) fizikas-teoretikas Philipas Stampas. Teoretikai dabar svarsto, kaip galėtų baigtis tokie eksperimentai ir ką vienokia ar kitokia baigtis reikštų bendresnei teorijai, apjungiančiai kvantinę mechaniką su bendruoju reliatyvumu. „Nė viena iš šių teorijų nėra iki šiol nuvylusi. Bet jos nesuderinamos. Ir jeigu eksperimentai galėtų šį konfliktą išspręsti, tai būtų rimta“, – sakė P. Stampas.

Kvantinė prigimtis

Kvantiniame dydžių lygmenyje sunku pasakyti, kad dalelė yra čia ar ten, kaip mums įprasta galvoti apie rutuliuką. Dalelių buvimo vieta iš tiesų aprašoma kaip tikimybė, kad dalelė kažkurią akimirką bus kiekvienoje iš galimų vietų. Šios tikimybės yra tarsi erdve sklindančių bangų viršūnės. Pavyzdžiui, kai fotonas susiduria su dviem greta esančiais plyšeliais ekrane, jis turi vienodą galimybę praeiti pro bet kurį iš jų. Tikimybių viršūnės, siejamos su dviem galimais fotono keliais, susitinka kitoje ekrano pusėje, todėl susidaro šviesūs ir tamsūs interferencijos ruožai. Šie ruožai yra įrodymas, kad fotonas egzistavo abiejų galimų trajektorijų superpozicijoje.

Tačiau kvantinės superpozicijos yra labai trapios. Tą pačią akimirką, kai superpozicijoje esanti dalelė pradeda sąveikauti su aplinka, superpozicijos savybė išnyksta ir lieka tik apibrėžta „čia“ arba „ten“ savybė. Dabartinė teorija ir eksperimentai suteikia pagrindo manyti, kad šis efektas, vadinamas aplinkos dekoherencija, nutinka dėl to, kad superpozicija greitai išsiplečia ir pradeda veikti tai, su kuo superpozicijoje jau esanti dalelė pradeda sąveikauti, taip pat ir fiziką, bandantį tyrinėti dalelę ar inžinierių, kuris bando sukurti kvantinį kompiuterį. Žvelgiant iš mūsų pusės suvokiama tik viena iš superpozicijoje esančios realybės versijų.

Vieną fotoną išlaikyti superpozicijos būsenoje yra nesudėtinga. Tačiau masyvūs objektai, tokie, kaip rutuliukas ant siūlo, kelia kur kas daugiau problemų, nes jie „tampa eksponentiškai jautresniais aplinkos trikdžiams“, – aiškina Kvynslendo universiteto (Australija) Kvantinių sistemų inžinerijos centro direktorius Gerardas Milburnas.

Dėl aplinkos dekoherencijos kelis dešimtmečius buvo manoma, kad idėja laboratorijoje patikrinti stambių objektų kvantinę superpoziciją yra iš esmės neįmanoma. „Sudėtingiausia užduotis yra eksperimento izoliavimas, užtikrinimas, kad objektų neveiktų jokie trukdžiai, išskyrus gravitaciją“, – sakė G. Milburnas. Tačiau pastaruoju metu eksperimento galimybė smarkiai padidėjo.

Fizikas eksperimentatorius Dirkas Bouwmeesteris, kuris dalį laiko dirba JAV, Kalifornijos universitete Santa Barbaroje, o dalį – Leideno universitete Olandijoje, sukūrė eksperimento sistemą, labai panašią į fotono ir rutuliuko eksperimentą, tačiau rutuliuką ant siūlo jis pakeitė objektu, vadinamu optomechaniniu osciliatoriumi – iš esmės tai yra mažutis veidrodis ant spyruoklės. Eksperimento tikslas – sukelti osciliatoriui dviejų skirtingų vibravimo režimų superpozicijos būseną ir patikrinti, ar gravitacija destabilizuoja superpoziciją.

Prieš dešimtmetį patys geriausi optomechaniniai osciliatoriai, kokių reikėtų D. Bouwmeesterio eksperimentui, nesustodami galėjo pirmyn ir atgal pasiūbuoti 100 000 kartų. Bet tai nebuvo pakankamai ilgai, kad spėtų pasireikšti gravitacija. Dabartiniai patobulinti osciliatoriai spėja pasiūbuoti milijoną kartų. Fizikas apskaičiavo, jog tai yra arti skaičiaus, reikiamo, norint pamatyti arba atmesti gravitacijos sukeliamą dekoherenciją. „Per trejus-penkerius metus galėsime įrodyti šio veidrodžio kvantines superpozicijas“, – įsitikinęs mokslininkas. Jis mano, kad po to jam su kolegomis reikės osciliatorių veikiančius aplinkos trukdžius mažinti tol, kol jo jautrumas bus pakankamas vienam fotonui užfiksuoti. „Tai tikrai suveiks“, – sakė fizikas.

Vienos universiteto (Austrija) fizikos profesorius Markusas Aspelmeyeris nusiteikęs ne mažiau optimistiškai. Jis su kolegomis kuria iškart tris eksperimentus kvantinės mechanikos ir gravitacijos sąveikai tirti. Du iš šių eksperimentų galima atlikti laboratorijoje, o vieną teks perkelti į žemės orbitoje besisukantį kosminį palydovą. Kosminiame eksperimente nanosfera bus ataušinta iki mažiausios judėjimo energetinės būsenos, o tuomet lazerio impulsu šiai nanosferai bus sukelta dviejų vietų superpozicijos būsena, sukuriant situaciją, panašią į du plyšelius, pasitaikiusius fotono kelyje. Nanosfera, artėdama prie jutiklio, elgsis tarsi banga su dviem interferuojančiomis viršūnėmis. Kiekvieną nanosferą jutiklis gali registruoti tik vienoje konkrečioje vietoje, tačiau po daugelio eksperimento pakartojimų nanosferos vietų pasiskirstyme turėtų atsirasti interferencijos ruožai. Jeigu gravitacija sunaikins superpozicijos būseną, ruožai masyvioms nanosferoms neatsiras.

Panašius eksperimentus ta pati grupė rengiasi atlikti ir Žemėje, tačiau jų dar reikės palūkėti. Kol kas nanosferų neįmanoma pakankamai ataušinti ir jos, veikiamos gravitacijos, nukrenta per daug greitai, kad būtų įmanoma sėkmingai atlikti eksperimentą. Tačiau „paaiškėjo, kad optinės platformos palydovuose jau dabar atitinka mūsų eksperimentų keliamus reikalavimus“, – sakė su Vokietijos kompanija „European Aeronautic Defence and Space Company“ (EADS) bendradarbiaujantis M. Aspelmeyeris. Jis su kolegomis neseniai pademonstravo esminį techninį žingsnį, reikalingą eksperimentui. Jeigu mokslininkų planas išdegs, eksperimentas bus iškeltas į kosmosą ir pavyks taip, kaip planuojama, tuomet jis atskleis nanosferų masės ir dekoherencijos sąveiką, t. y., susies gravitaciją su kvantine mechanika.

Vieną Žemėje planuojamą eksperimentą mokslininkai praėjusį pavasarį aprašė recenzuojamame žurnale „Nature Physics“. Daugelyje pasiūlytų kvantinės gravitacijos versijų numatytos Heisenbergo neapibrėžtumo principo modifikacijos. Šis principas – kvantinės mechanikos kertinis akmuo – nurodo, kad neįmanoma tuo pačiu metu tiksliai išmatuoti ir objekto pozicijos, ir momento. Bet kokie nukrypimai nuo Heisenbergo formulės turėtų būti matomi optomechaninio osciliatoriaus pozicijos-momento neapibrėžtume, nes šį osciliatorių veikia gravitacija. Neapibrėžtumas yra neišmatuojamai mažas – 100 milijonų trilijonų kartų mažesnis už protono skersmenį – tačiau M. Aspelmeyerio grupėje dirbantis teoretikas Igoris Pikovskis sugalvojo aplinkkelį, kuris leistų šį poveikį išmatuoti. Pasak I. Pikovskio, šviesos impulsui pasiekus osciliatorių, spindulio bangos fazė pastebimai pasikeis, priklausomai nuo neapibrėžtumo. Bet koks nukrypimas nuo tradicinių kvantinės mechanikos prognozių galėtų būti vertinamas kaip eksperimentinis kvantinės gravitacijos įrodymas.

M. Aspelmeyerio grupė jau pradėjo pirmuosius šio eksperimento realizavimo veiksmus. I. Pikovskio idėja „mums suteikia, tenka pripažinti, labai netikėtą galimybių išplėtimą. Mes visi šiek tiek nustebinti“, – sakė grupės vadovas.

Teorijų dvikova

Daugelis fizikų tikisi, kad susidūrus teorijoms laimėtoja bus paskelbta kvantinė mechanika. Jie tiki, kad rutuliukas ant siūlo iš principo turėtų galėti vienu metu egzistuoti dviejose vietose, kaip ir fotonas. Rutuliuko gravitacinis laikas turėtų gebėti interferuoti pats su savimi kvantinėje superpozicijoje, kaip interferuoja fotono elektromagnetinis laukas. „Nematau dėl ko šios eksperimentuojant su šviesa įrodytos kvantinės teorijos koncepcijos neturėtų galioti gravitacijai“, – sakė M. Aspelmeyeris.

Tačiau bendrojo reliatyvumo ir kvantinės mechanikos nesuderinamumas verčia manyti, kad gravitacija gali elgtis kitaip. Viena iš įdomesnių idėjų – kad gravitacija gali suveikti kaip neišvengiamas foninis triukšmas, kuris panaikins superpozicijas.

„Galima apsisaugoti nuo oro molekulių, nuo elektromagnetinio spinduliavimo, bet eksperimento neapsaugosi nuo gravitacijos. Mano požiūriu, gravitacija yra tarsi fundamentali, neišvengiama, paskutinė išliekanti aplinka“, – sakė Dartmuto koledžo (Jungtinė Karalystė) fizikos profesorius Milesas Blencowe'as.

Gravitacijos kaip foninio triukšmo idėja gimė praėjusio amžiaus devintame-dešimtame dešimtmetyje, ją išvystė Wignerio fizikos tyrimų centro (Vengrija) mokslininkas Lajosas Diósi bei, nepriklausomai, Oksfordo universiteto (Jungtinė Karalystė) mokslininkas Rogeris Penrose'as. Pastarojo modelis nurodo, kad erdvės ir laiko iškreipimų neatitikimai superpozicijoje gali kumuliuotis, kol galų gale sunaikina pačią superpoziciją. Kuo masyvesnis ar energingesnis objektas būtų superpozicijos būsenoje, tuo stipresnis būtų jo gravitacinis laikas ir tuo greičiau įvyktų gravitacinė dekoherencija. Erdvės ir laiko iškreipimų neatitikimai sukeltų nesumažinamą triukšmą matuojant dalelių poziciją ir momentą – tai dera su neapibrėžtumo principu.

„Būtų nuostabus rezultatas jeigu paaiškėtų, kad tikroji neapibrėžtumo principo ir keistų kvantinės fizikos savybių priežastis yra kažkokie kvantiniai erdvės ir laiko efektai“, – sakė G. Milburnas.

Eksperimentinių patikrinimų galimybės įkvėptas G. Milburnas ir kiti teoretikai bando plėtoti L. Diósi ir R. Penrose'o idėją. Liepą recenzuojamame žurnale „Physical Review Letters“ M. Blencowe'as pateikė paties išvestą lygtį, aprašančią gravitacijos dekoherencijos greitį, modeliuojant gravitaciją, kaip viską smelkiantį spinduliavimą. Jo lygtyse įtrauktas dydis, vadinamas Plancko energija, kuri prilygsta mažiausios įmanomos juodosios bedugnės masei. „Kai pamatome Planko energiją, iškart galvojame apie kvantinę gravitaciją. Taigi, gali būti, kad ši lygtis yra susijusi su kol kas neatrastos kvantinės gravitacijos teorijos elementais, o jeigu tokią teoriją turėtume, ji mums parodytų, kad gravitacija fundamentaliai skiriasi nuo kitų dekoherencijos formų“, – sakė fizikas.

P. Stampas kuria vadinamąją „koreliuojančių kelių teoriją“ kvantinei gravitacijai, kuri parodo įmanomą matematinį gravitacinės dekoherencijos mechanizmą. Tradiciškai kvantinėje mechanikoje ateities įvykių tikimybės yra apskaičiuojamos nepriklausomai sumuojant įvairius kelius, kuriuos gali pasirinkti dalelė, pavyzdžiui, trajektorijas, kurias ji gali pasirinkti keliaudama pro plyšelius ekrane. P. Stampas nustatė, kad į skaičiavimus įtraukus gravitaciją, trajektorijos susilieja. „Iš esmės gravitacija yra ta sąveika, kuri sukuria skirtingų kelių komunikacijos galimybę“, – sakė P. Stampas. Koreliacijos tarp skirtingų kelių rezultatas vėlgi yra dekoherencija. „Jokių kintamų parametrų. Jokios erdvės variacijoms. Šios prognozės rezultatas yra absoliučiai apibrėžtas“, – sakė fizikas.

Teoretikai ir eksperimentatoriai suvažiavimuose ir seminaruose bendromis jėgomis koordinuoja įvairius pasiūlymus ir planus jiems išbandyti. Jų teigimu, tai yra visus mokslininkus motyvuojanti situacija.

„Po galutinės kvantinės mechanikos ir gravitacijos dvikovos mūsų erdvės ir laiko suvokimas bus visiškai pasikeitęs. Tikimės, kad šie eksperimentai parodys kelią“, – sakė G. Milburnas.