Mokslininkai priartėjo prie didžiausios fizikos paslapties įminimo

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.