Kwantową naturę grawitacji można wykryć w falach grawitacyjnych

Grawitacja, którą w prosty sposób wyjaśnił Newton, a kilka wieków później pełniej przez Einsteina, również miałaby naturę kwantową. Teoria względności Einsteina, która przedstawia czasoprzestrzeń jako „modelowalną tkaninę” ciągnącą siłę grawitacji, nie wystarczyłaby do wyjaśnienia wszystkich aspektów tej niezwykłej naturalnej mechaniki. Niedawno zespół naukowców pracował nad badaniem fal grawitacyjnych generowanych przez zderzenie czarne dziury lub gwiazdy w neutrony Mając nadzieję na odkrycie i udowodnienie kwantowego składnika grawitacji.

Pytanie o to, jak grawitacja i mechanika kwantowa pasują do siebie, było od dziesięcioleci jednym z największych kierunków badań w fizyce. W jaki sposób fluktuacje kwantowe wpływają na fale grawitacyjne (zafalowania czasoprzestrzeni spowodowane ruchem i kolizjami masywnych obiektów) mogą dostarczyć fizykom sposób na rozwiązanie tej zagadki.

Grawitacja to jedyny obszar fizyki, który nie jest obecnie częścią rozumienia wszechświata przez mechanikę kwantową. ” Nasza podstawowa teoria fizyczna jest obecnie niespójna: składa się z dwóch części, które do siebie nie pasują „,” wyjaśnia Carlo Rovelli z Uniwersytetu Aix-Marseille we Francji, który nie był zaangażowany w tę pracę. ” Aby uzyskać spójny obraz świata, musimy połączyć dwie połówki ».

Grawiton: jego działanie można wykryć w falach grawitacyjnych

Zagadnieniu temu poświęcono wiele prac teoretycznych, ale obserwacje i eksperymenty nie pozwoliły jeszcze go rozwiązać. Wynika to głównie z faktu, że poziomy energii, przy których pojawiają się efekty kwantowe na zachowanie grawitacyjne, są niezwykle wysokie. Te szczególnie wysokie poziomy energii występują w zdarzeniach astronomicznych, które wytwarzają fale grawitacyjne.

Fale wytwarzane przez pola kwantowe, takie jak światło, są z natury falami i cząstkami. Jeśli więc pola grawitacyjne są naprawdę polami kwantowymi, to fale grawitacyjne również powinny zachowywać się jak cząstki. Te wirtualne cząstki nazywane są grawitonami.

Molek Parikh z Arizona State University i jego koledzy obliczyli, że obecność grawitonów może powodować zakłócenia sygnałów fal grawitacyjnych. Odkryli, że teoretycznie może być wykryta przez obecne obserwatoria fal grawitacyjnych, takie jak LIGO i VIRGO.

« Być może kwantowa natura grawitacji nie jest tak daleko idąca i być może jest na niej eksperymentalna sygnatura. – mówi Barrick. ” Spodziewaliśmy się, że w grawitacji występuje jakiś rodzaj szumu i interferencji – a właściwości tego szumu zależą od stanu kwantowego pola grawitacyjnego. ».

Grawitacja kwantowa: ujednolicenie mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności

Można go odróżnić od innych źródeł szumu tym, że najprawdopodobniej objawia się takimi samymi fluktuacjami sygnału w kilku detektorach jednocześnie. Zaobserwowanie tego szumu byłoby dowodem na to, że grawitacja ma składnik kwantowy. ” Mamy wszelkie powody, by sądzić, że tak jest mówi Rovelli.

Barrick i współpracownicy obecnie modelują, jak wyglądałby szum kwantowy w rzeczywistych wykryciach fal grawitacyjnych pochodzących ze zdarzeń astronomicznych, takich jak scalanie się czarnych dziur lub gwiazd neutronowych, dzięki czemu wiedzą, czego szukać. Odkrycie tego sygnału i udowodnienie, że grawitacja jest przynajmniej częściowym zjawiskiem kwantowym, stanowiłoby duży krok w kierunku unifikacji ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej, wysiłek badawczy, który nazywa się „grawitacją kwantową”.

Ponieważ grawitacja jest cechą całej czasoprzestrzeni, a mechanika kwantowa opisuje materię, przybliżyłoby nas to do teorii samospójności wszystkiego, co dotyczy fizyki. ” Cała historia grawitacji to w rzeczywistości historia przestrzeni i czasu – mówi Barrick. ” W teorii wszystkiego oczekujemy, że przestrzeń, czas i materia będą w pewnym sensie jednym, a obserwowanie tego zjawiska byłoby krokiem w kierunku udowodnienia tego. ».

Źródło : fizyczne wiadomości przeglądowe