Ένα βήμα πιο κοντά στην ένωση της Κβαντομηχανικής με τη Γενική Σχετικότητα του Einstein!

Οι ερευνητές βρήκαν έναν τρόπο να μετρήσουν τη βαρύτητα σε μικροσκοπικά επίπεδα, γεγονός που ίσως τους φέρνει πιο κοντά στη διαμόρφωση μιας θεωρίας της "κβαντικής βαρύτητας" και στην επίλυση ορισμένων σημαντικών κοσμικών μυστηρίων.

Η Κβαντική Φυσική προσφέρει στους επιστήμονες την καλύτερη δυνατή περιγραφή του Σύμπαντος σε μικροσκοπικές κλίμακες μικρότερες από τα άτομα. Η Θεωρία της Γενικής Σχετικότητας του Albert Einstein, από την άλλη πλευρά, επιφέρει την καλύτερη περιγραφή της Φυσικής σε τεράστιες, κοσμικές κλίμακες. Ωστόσο, κάτι λείπει απογοητευτικά ακόμη και μετά από 100 χρόνια που και οι δύο θεωρίες έχουν περάσει από μια πληθώρα πειραματικών επαληθεύσεων. Όσο ισχυρές και ακριβείς και αν έχουν γίνει οι δύο θεωρίες που αναπτύχθηκαν στις αρχές του 20ού αιώνα, αρνούνται να ενωθούν.

Ένας από τους κύριους λόγους για το συγκεκριμένο αδιέξοδο είναι το γεγονός ότι, ενώ τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος - ο ηλεκτρομαγνητισμός, η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη - έχουν κβαντικές περιγραφές, δεν υπάρχει κβαντική θεωρία για την τέταρτη: τη βαρύτητα. Τώρα, ωστόσο, μια διεθνής ομάδα έχει σημειώσει πρόοδο στην αντιμετώπιση αυτής της ανισορροπίας ανιχνεύοντας με επιτυχία μια ασθενή βαρυτική έλξη σε ένα μικροσκοπικό σωματίδιο χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτό θα μπορούσε να είναι το πρώτο δοκιμαστικό βήμα σε μια πορεία που θα οδηγήσει σε μια θεωρία της "κβαντικής βαρύτητας".

"Για έναν αιώνα, οι επιστήμονες προσπαθούσαν και απέτυχαν να κατανοήσουν πώς η βαρύτητα και η Κβαντομηχανική λειτουργούν μαζί", δήλωσε ο Tim Fuchs, μέλος της ομάδας και ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον. "Με την κατανόηση της κβαντικής βαρύτητας, θα μπορούσαμε να λύσουμε μερικά από τα μυστήρια του Σύμπαντος μας, όπως το πώς ξεκίνησε, τι συμβαίνει μέσα στις μαύρες τρύπες ή την ένωση όλων των δυνάμεων σε μια μεγάλη θεωρία".

Ενδεχομένως να είναι σωστό ότι η Γενική Σχετικότητα και η Κβαντική Φυσική δεν συμβαδίζουν, και άλλωστε, ο Einstein δεν αισθάνθηκε ποτέ άνετα με την κβαντική φυσική. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι, ενώ η τελευταία έχει πολλές αντιφατικές πτυχές, βρήκε μια συγκεκριμένη εξαιρετικά προβληματική. Ήταν η έννοια της διεμπλοκής (entaglement). Η τελευταία έχει να κάνει με τον συντονισμό σωματιδίων με τέτοιο τρόπο ώστε η αλλαγή των ιδιοτήτων ενός σωματιδίου να μεταβάλλει αμέσως τις ιδιότητες του άλλου, ακόμη και να βρίσκεται στην άλλη άκρη του Σύμπαντος. Ο Einstein θεωρούσε ότι αυτή η ιδιότητα ξεπερνούσε τα όρια του τοπικού ρεαλισμού.

Ο τοπικός ρεαλισμός είναι η ιδέα ότι τα αντικείμενα έχουν πάντα καθορισμένες ιδιότητες και ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ αυτών των αντικειμένων περιορίζονται από την απόσταση και την ταχύτητα του φωτός, ένα καθολικό όριο ταχύτητας που εισήγαγε ο Einstein ως θεμέλιο της Ειδικής Σχετικότητας. Η Ειδική Σχετικότητα είναι, στην πραγματικότητα, η θεωρία που οδήγησε αρχικά στη διατύπωση της Γενικής Σχετικότητας. Ωστόσο, παρά τις ενστάσεις του Einstein, οι ερευνητές έχουν πράγματι αποδείξει ότι η διεμπλοκή και άλλες αντιφατικές πτυχές της κβαντικής φυσικής είναι αληθινά στοιχεία της πραγματικότητας σε υποατομικές κλίμακες.

Η απόδειξη αυτή επιτεύχθηκε με πλήθος πρωτοποριακών πειραμάτων. Ο Fuchs και οι συνεργάτες του, για παράδειγμα, ακολουθούν τα βήματα φυσικών όπως οι Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger, οι οποίοι κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής του 2022 για την πειραματική επαλήθευση της μη τοπικής φύσης της διεμπλοκής.

Στο νέο τους κβαντικό πείραμα, οι ερευνητές, μεταξύ των οποίων επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Σαουθάμπτον, το Πανεπιστήμιο του Λάιντεν και το Ινστιτούτο Φωτονικής και Νανοτεχνολογιών, χρησιμοποίησαν υπεραγώγιμες μαγνητικές "παγίδες" για να μετρήσουν την ασθενή βαρυτική έλξη της μικρότερης μάζας που έχει ποτέ επιχειρήσει κανείς να ερευνήσει με αυτόν τον τρόπο.

Το μικροσκοπικό σωματίδιο αιωρήθηκε στην υπεραγώγιμη παγίδα σε θερμοκρασίες περίπου -273 βαθμών Κελσίου, που είναι μόλις μερικά εκατοστά του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν, την υποθετική θερμοκρασία στην οποία θα σταματούσε κάθε ατομική κίνηση. Αυτή η ψυχρή θερμοκρασία ήταν απαραίτητη για να περιοριστούν οι δονήσεις των σωματιδίων στο ελάχιστο δυνατό. Η ομάδα μέτρησε τελικά μια βαρυτική έλξη 30 "attoNewtons" στο σωματίδιο.

Για να σας δώσουμε μια ιδέα για το πόσο μικρή ήταν η βαρυτική δύναμη στα σωματίδια που μελετήθηκαν, ένα Newton ορίζεται ως η δύναμη που απαιτείται για να δοθεί σε μια μάζα ενός κιλού μια επιτάχυνση ενός μέτρου ανά δευτερόλεπτο. Και 30 attoNewton ισοδυναμούν με 0,00000000000000003 Newton.

"Τώρα που μετρήσαμε με επιτυχία τα βαρυτικά σήματα στη μικρότερη μάζα που έχει καταγραφεί ποτέ, σημαίνει ότι είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στο να συνειδητοποιήσουμε τελικά πώς λειτουργεί συνδυαστικά", δήλωσε ο Fuchs. "Από εδώ και πέρα, θα αρχίσουμε να μικραίνουμε την πηγή χρησιμοποιώντας αυτή την τεχνική μέχρι να φτάσουμε στον κβαντικό κόσμο και από τις δύο πλευρές".

Διευρύνουμε τα όρια της επιστήμης που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε νέες ανακαλύψεις σχετικά με τη βαρύτητα και τον κβαντικό κόσμο. Η νέα μας τεχνική που χρησιμοποιεί εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες και συσκευές για την απομόνωση της δόνησης του σωματιδίου θα αποδειχθεί πιθανότατα ο δρόμος προς τα εμπρός για τη μέτρηση της κβαντικής βαρύτητας. Η διαλεύκανση αυτών των μυστηρίων θα μας βοηθήσει να ξεκλειδώσουμε περισσότερα μυστικά για την ίδια τη δομή του Σύμπαντος, από τα πιο μικροσκοπικά σωματίδια μέχρι τις πιο μεγάλες κοσμικές δομές.

[via]