Zbliżamy się do niemożliwego. To nowe odkrycie może zmienić nasze rozumienie grawitacji
Eksperyment z wykorzystaniem czujników kwantowych umożliwi wykrycie pojedynczych grawitonów - cząstek, z których składa się grawitacja - co do tej pory uważano za niemożliwe.
Grawitony to hipotetyczne cząstki elementarne, które - podobnie jak fotony dla światła - są nośnikami oddziaływania grawitacyjnego. Byłyby to małe cegiełki, odpowiedniki gluonów, które spajają w jądro atomowe protony i neutrony.
Choć ich istnienie jest przewidywane przez teorię, do tej pory nie udało się ich bezpośrednio zaobserwować. Wykrycie grawitonów byłoby jednym z największych odkryć w historii fizyki, otwierając drzwi do zupełnie nowych dziedzin badań i technologii.
Zespół kierowany przez profesora fizyki Igora Pikovskiego ze Stevens Institute of Technology w USA przedstawił właśnie sposób wykrywania pojedynczych grawitonów. Ich zdaniem urzeczywistnienie tego eksperymentu powinno być możliwe w niedalekiej przyszłości dzięki technologii kwantowej.
To eksperyment, który długo uważano za niemożliwy, ale sądzimy, że znaleźliśmy sposób, aby go przeprowadzić
- mówi Pikovski.
Wyniki badania dotyczące wykrywania pojedynczych grawitonów za pomocą czujników kwantowych zostały opublikowane w Nature Communications.
Nieuchwytne cząsteczki, z których zbudowana jest kosmiczna tkanka
Grawitacja to jedna z najpotężniejszych sił we Wszechświecie. Wśród rzeczy, które o niej wiemy, jest to, że grawitacja po prostu działa. Rzeczy spadają, planety krążą wokół gwiazd. Ponad sto lat temu Einstein zrewolucjonizował nasze rozumienie grawitacji, wyjaśniając ją jako zmiany w przestrzeni i czasie. To nie tak więc, że ciała się przyciągają, to sama czasoprzestrzeń ulega deformacji i kieruje obiekty ku sobie.
Wiele efektów grawitacji, wcześniej niewyobrażalnych, zostało już potwierdzonych: dylatacja czasu, fale grawitacyjne lub czarne dziury.
Ale jest jeszcze coś wyjątkowego w grawitacji: do tej pory znamy tylko jej klasyczną wersję, podczas gdy wszystkie inne siły są wyjaśnione przez teorię kwantową.
Więcej o niezwykłej grawitacji przeczytasz na Spider's Web:
Połączyć dwie wielkie teorie
Jednym ze świętych Graali fizyki od dawna jest powiązanie grawitacji z mechaniką kwantową. Dwie największe, najważniejsze i doskonale potwierdzone teorie naukowe ludzkości - teoria względności i teoria kwantowa - nie mogą zostać połączone, choć powinny tworzyć jedność. Najtęższe umysły na Ziemi od dziesięcioleci pracują nad utworzeniem teorii kwantowej grawitacji - póki co bezskutecznie.
W każdej kwantowej teorii grawitacji spodziewalibyśmy się występowania pewnych pojedynczych niepodzielnych cząstek. Fizycy nazwali te nieuchwytne cząstki grawitonami - są to elementy składowe grawitacji, tak jak atomy są elementami składowymi materii.
Teoretycznie fale grawitacyjne, które często przechodzą przez Ziemię w wyniku kolosalnych kosmicznych zdarzeń, takich jak zderzenia czarnych dziur, składają się z ogromnej liczby tych grawitonów. Imponujące duże detektory, takie jak LIGO, mogą już potwierdzać istnienie fal grawitacyjnych. Jednak nigdy w historii nie wykryto samego grawitonu. Nawet pomysł jego wykrycia przez długi czas uważano za niemożliwy.
Wykryć grawitony
To jednak może się zmienić. Zespół Pikovskiego zaproponował rozwiązanie, które polega na połączeniu istniejącej technologii wykrywania fizycznego - czegoś, co nazywa się rezonatorem akustycznym, zasadniczo ciężkim cylindrem - i wyposażeniu go w ulepszone metody wykrywania stanu energii.
Nasze rozwiązanie jest podobne do efektu fotoelektrycznego, który doprowadził Einsteina do kwantowej teorii światła, tylko z falami grawitacyjnymi zastępującymi fale elektromagnetyczne. Kluczem jest to, że energia jest wymieniana między materiałem a falami tylko w dyskretnych krokach - pojedyncze grawitony są pochłaniane i emitowane
- wyjaśnia Pikovski.
Ale jak je wykryć?
Musimy schłodzić materiał, a następnie monitorować zmiany energii w jednym kroku. Można to osiągnąć dzięki czujnikom kwantowym. Obserwując skoki kwantowe w materiale, możemy wywnioskować, że grawiton został pochłonięty. Nazywamy to efektem grawito-fononicznym
- tłumaczą badacze.
Jednym z proponowanych przez zespół nowatorskich rozwiązań jest wykorzystanie dostępnych danych z LIGO - amerykańskiego obserwatorium składającego się z dwóch instrumentów, które niedawno potwierdziło istnienie fal grawitacyjnych.
Obserwatoria LIGO są bardzo dobre w wykrywaniu fal grawitacyjnych, ale nie potrafią wychwycić pojedynczych grawitonów. W celu wyizolowania pojedynczych grawitonów naukowcy chcą jednak wykorzystać dane z detektora, by skorelować je z opracowanym przez badaczy detektorem.
Jak zespół Pikovskiego zaprojektował ten pomysłowy eksperyment? Pomogło dużo matematyki i kreatywności, a także ostatnie postępy w technologii.
Wielu fizyków myślało o tym przez lata, ale odpowiedź zawsze była taka sama: nie da się tego zrobić. Nie sposób było sobie wyobrazić eksperymenty kwantowe wykraczające poza kilka atomów, a one prawie w ogóle nie oddziałują z grawitonami
– mówi Pikovski.
Ale postęp technologii wszystko zmienił: naukowcy zaczęli niedawno tworzyć i obserwować efekty kwantowe w obiektach makroskopowych. Pikovski zdał sobie sprawę, że te makroskopowe obiekty kwantowe są idealne do obserwacji pojedynczych sygnatur grawitonowych: oddziałują one znacznie silniej z grawitacją, a naukowcy mogą wykryć, jak obiekty te pochłaniają i emitują energię w dyskretnych krokach.
Zespół zaczął myśleć o możliwym eksperymencie. Korzystając z danych z fal grawitacyjnych, które wcześniej zmierzono na Ziemi, takich jak te, które dotarły w 2017 r. w wyniku zderzenia dwóch odległych gwiazd neutronowych, obliczyli parametry, które zoptymalizują prawdopodobieństwo absorpcji pojedynczego grawitonu.
Nowo zaprojektowany detektor kwantowy zostałby schłodzony do najniższej energii, a następnie wprawiony w bardzo delikatne drgania przez przejście fali grawitacyjnej. Nadczułe czujniki energii mogłyby następnie teoretycznie uchwycić, jak te drgania zmieniały się w dyskretnych krokach. Każda dyskretna zmiana (znana również jako skok kwantowy) wskazywałaby na pojedyncze zdarzenie grawitonowe.
Przełom na wyciągnięcie ręki
Oczywiście, jest pewien haczyk w łapaniu grawitonów. Niezbędna technologia wykrywania jeszcze nie istnieje.
Ostatnio zaobserwowano skoki kwantowe w materiałach, ale jeszcze nie przy masie, której potrzebujemy. Ale technologia rozwija się bardzo szybko i mamy więcej pomysłów, jak to ułatwić. Jesteśmy pewni, że ten eksperyment się powiedzie. Teraz, gdy wiemy, że grawitony można wykryć, jest to dodatkowa motywacja do dalszego rozwijania odpowiedniej technologii wykrywania kwantowego. Przy odrobinie szczęścia wkrótce uda się uchwycić pojedyncze grawitony
- podaje zespół.
Możliwość bezpośredniej detekcji grawitonów otwiera przed nami nowe, ekscytujące perspektywy. To odkrycie może nie tylko zmienić nasze rozumienie grawitacji, ale również przyczynić się do powstania zupełnie nowych technologii, które zrewolucjonizują wiele dziedzin naszego życia. Choć jeszcze nie wiemy, kiedy dokładnie uda się nam złapać pierwszego grawitonu, jedno jest pewne – to odkrycie będzie jednym z najważniejszych wydarzeń w historii nauki.
