Tyngdkraften är en del av vår vardag. Ändå förblir gravitationskraften mystisk:än i dag förstår vi inte om dess yttersta natur är geometrisk, som Einstein föreställt sig, eller styrs av kvantmekanikens lagar.
Fram till nu har alla experimentella förslag för att besvara denna fråga förlitat sig på att skapa kvantfenomenet intrassling mellan tunga, makroskopiska massor. Men ju tyngre ett föremål är, desto mer tenderar det att avskaffa sina kvantegenskaper och bli "klassiskt", vilket gör det otroligt utmanande att få en tung massa att bete sig som en kvantpartikel
I en studie publicerad i Physical Review X den här veckan föreslår forskare från Amsterdam och Ulm ett experiment som kringgår dessa problem.
Att framgångsrikt kombinera kvantmekanik och gravitationsfysik är en av den moderna vetenskapens största utmaningar. Generellt sett hindras framsteg på detta område av det faktum att vi ännu inte kan utföra experiment i regimer där både kvant- och gravitationseffekter är relevanta.
På en mer grundläggande nivå, som Nobelpristagaren Roger Penrose en gång uttryckte det, vet vi inte ens om en kombinerad teori om gravitation och kvantmekanik kommer att kräva en "kvantisering av gravitationen" eller en "gravitisering av kvantmekaniken."
Med andra ord:Är gravitationen i grunden en kvantkraft, vars egenskaper bestäms på minsta möjliga skala, eller är det en "klassisk" kraft för vilken det räcker med en storskalig geometrisk beskrivning? Eller är det något annat än?
Det har alltid verkat som att för att besvara dessa frågor skulle en central roll spelas av det typiska kvantfenomenet intrassling. Ludovico Lami, matematisk fysiker vid universitetet i Amsterdam och QuSoft, säger:"Den centrala frågan, som ursprungligen ställdes av Richard Feynman 1957, är att förstå om gravitationsfältet hos ett massivt föremål kan komma in i en så kallad kvantsuperposition, där det skulle vara i flera delstater samtidigt.
"Före vårt arbete var huvudidén att avgöra denna fråga experimentellt att leta efter gravitationsinducerad intrassling - ett sätt på vilket avlägsna men besläktade massor kunde dela kvantinformation. Förekomsten av sådan intrassling skulle falsifiera hypotesen att gravitationsfältet är rent av lokalt och klassiskt."
Huvudproblemet med de tidigare förslagen är att avlägsna men relaterade massiva objekt – kända som delokaliserade stater – är mycket utmanande att skapa. Det tyngsta föremålet för vilket kvantdelokalisering hittills har observerats är en stor molekyl, mycket lättare än den minsta källmassan vars gravitationsfält har upptäckts, som är strax under 100 mg – mer än en miljard miljarder gånger tyngre. Detta har förskjutit varje hopp om ett experimentellt förverkligande årtionden bort.
I det nya verket presenterar Lami och hans kollegor från Amsterdam och Ulm – intressant nog platsen där Einstein föddes – en möjlig väg ut ur detta dödläge. De föreslår ett experiment som skulle avslöja gravitationens kvantitet utan att generera någon intrassling.
Lami förklarar, "Vi designar och undersöker en klass av experiment som involverar ett system av massiva "harmoniska oscillatorer" - till exempel torsionspendlar, i huvudsak som den som Cavendish använde i sitt berömda experiment från 1797 för att mäta styrkan hos gravitationskraften. fastställa matematiskt rigorösa gränser för vissa experimentella signaler för kvantitet som en lokal klassisk gravitation inte borde kunna övervinna.
"Vi har noggrant analyserat de experimentella kraven som krävs för att implementera vårt förslag i ett verkligt experiment, och finner att även om viss grad av tekniska framsteg fortfarande behövs, kan sådana experiment verkligen vara inom räckhåll snart."
Överraskande nog, för att analysera experimentet, behöver forskarna fortfarande det matematiska maskineriet för intrasslingsteorin inom kvantinformationsvetenskap. Hur är det mojligt? Enligt Lami, "Anledningen är att även om intrassling inte finns fysiskt där, så finns den fortfarande där i andan – i en exakt matematisk mening. Det räcker med att intrassling kunde ha genererats."
Forskarna hoppas att deras uppsats bara är början och att deras förslag kommer att hjälpa till att designa experiment som kan svara på den grundläggande frågan om gravitationens kvantitet mycket tidigare än väntat.
Mer information: Ludovico Lami et al, Testing the Quantumness of Gravity without Entanglement, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021022
Journalinformation: Fysisk granskning X
Tillhandahålls av University of Amsterdam
