Udforskning af kvantetyngdekraft og sammenfiltring ved hjælp af penduler

Når det kommer til et ægteskab med kvanteteori, tyngdekraften er det enlige holdepunkt blandt de fire grundlæggende kræfter i naturen. De tre andre - den elektromagnetiske kraft, den svage kraft, som er ansvarlig for radioaktivt henfald, og den stærke kraft, som binder neutroner og protoner sammen i atomkernen - alle er smeltet sammen med kvanteteorien for at kunne beskrive universet på den mindste skala, hvor kvantemekanikkens love skal spille en ledende rolle.

Selvom Einsteins generelle relativitetsteori, som beskriver tyngdekraften som en krumning af rum-tid, forklarer en lang række gravitationsfænomener, det svigter inden for de mindste volumener - midten af ​​et sort hul eller universet ved dets eksplosive fødsel, når den var mindre end en atomdiameter i størrelse. Det er her, kvantemekanikken burde dominere.

Alligevel gennem de sidste otte årtier, ekspert efter ekspert, inklusive Einstein, har ikke været i stand til at forene kvanteteori med tyngdekraft. Så, er tyngdekraften virkelig en kvantekraft?

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har nu foreslået et eksperiment, der kan hjælpe med at løse spørgsmålet.

Eksperimentet udnytter to af kvanteteoriens mærkeligste egenskaber. Det ene er superpositionsprincippet, som hævder, at en uforstyrret atompartikel kan beskrives som en bølge, med en vis sandsynlighed for at være to steder på én gang. For eksempel, et uforstyrret atom, der rejser gennem et område med to spalter, passerer ikke gennem den ene eller den anden af ​​spalterne, men begge.

Og fordi atomet er beskrevet af en bølge, den del, der passerer gennem den ene spalte, vil forstyrre den del, der passerer gennem den anden, producerer et velkendt mønster af lyse og mørke frynser. De lyse rander svarer til områder, hvor bakkerne og dalene i de to bølger flugter, så de lægger sig sammen, skaber konstruktiv interferens, og de mørke områder svarer til områder, hvor bølgernes bakker og dale ophæver hinanden, skabe destruktiv interferens.

Den anden mærkelige kvanteegenskab er kendt som sammenfiltring, et fænomen, hvor to partikler kan være så stærkt korrelerede, at de opfører sig som en enkelt enhed. Måling af en egenskab for en af ​​partiklerne tvinger automatisk den anden til at have en komplementær egenskab, selvom de to partikler bor galakser fra hinanden.

I en kvanteteori om tyngdekraft, tyngdekraftens tiltrækning mellem to massive objekter ville blive kommunikeret af en hypotetisk subatomær partikel, gravitonen, på samme måde som den elektromagnetiske vekselvirkning mellem to ladede partikler kommunikeres af en foton (lysets fundamentale partikel). Så, hvis en graviton virkelig eksisterer, den skal kunne forbindes, eller indvikle, egenskaberne af to massive legemer, ligesom en foton kan sammenfiltre egenskaberne af to ladede partikler

Det foreslåede eksperiment af Jake Taylor fra NIST's Joint Quantum Institute ved University of Maryland, sammen med Daniel Carney, nu på Lawrence Berkeley National Laboratory, og Holger Müller fra University of California, Berkeley, giver en smart måde at teste, om to massive kroppe faktisk kan blive viklet ind af tyngdekraften. De beskrev deres arbejde i en artikel offentliggjort online i Physical Review X Quantum den 18. august, 2021.

Eksperimentet ville bruge en kold sky af atomer, fanget inde i et atomært interferometer. Interferometeret har to arme - en venstre arm og en højre. Ifølge superpositionsprincippet, hvis hvert atom i skyen er i en ren, uforstyrret kvantetilstand, det kan beskrives som en bølge, der optager begge arme samtidigt. Når de to dele af bølgen, en fra hver arm, genkombinere, de vil producere et interferensmønster, der afslører eventuelle ændringer i deres veje på grund af kræfter som tyngdekraften.

En lille, indledningsvis indføres stationær masse ophængt som et pendul lige uden for interferometeret. Den suspenderede masse og atomet er gravitationsmæssigt tiltrukket. Hvis den gravitationsslæbebåd også producerer sammenfiltring, hvordan ville det se ud?

Den suspenderede masse vil blive korreleret med en specifik placering for atomet - enten den højre arm af interferometeret eller den venstre. Som resultat, massen vil begynde at svinge til venstre eller højre. Hvis atomet er placeret til venstre, pendulet vil begynde at svinge til venstre; hvis atomet er placeret til højre, pendulet vil begynde at svinge til højre. Tyngdekraften har viklet atomets position i interferometeret sammen med den retning, hvori pendulet begynder at svinge.

Positionssammenfiltringen betyder, at pendulet effektivt har målt atomets placering, lokalisere den til et bestemt sted i interferometeret. Fordi atomet ikke længere er i en superposition af at være i begge arme på samme tid, interferensmønsteret forsvinder eller forsvinder.

En halv periode senere, når den svingende masse vender tilbage til sit udgangspunkt, den mister al "hukommelse" af den gravitationssammenfiltring, den havde skabt. Det er fordi, uanset hvilken vej pendulet tog - i begyndelsen svingede til højre, som udvælger en placering for atomet i højre interferometerarm, eller til at begynde med at svinge til venstre, som udvælger en placering for atomet i venstre arm - den vender tilbage til den samme startposition, meget som et barn på en gynge.

Og når den vender tilbage til startpositionen, det er lige så sandsynligt, at pendulet vil finde en placering for atomet i venstre eller højre arm. På dette tidspunkt, sammenfiltring mellem massen og atomet er blevet slettet, og det atomare interferensmønster dukker op igen.

En halv periode derefter, når pendulet svinger til den ene eller den anden side, sammenfiltring genetableres, og interferensmønsteret formindskes igen. Mens pendulet svinger frem og tilbage, gentages mønsteret - interferens, mindsket interferens, interferens. Dette sammenbrud og genoplivning af interferens, forskerne siger, ville være en "rygende pistol" til sammenfiltring.

"Det er svært for noget andet fænomen end gravitationssammenfiltring at frembringe en sådan cyklus, " sagde Carney.

Selvom det ideelle eksperiment kan være et årti eller mere fra at blive bygget, en foreløbig version kan være klar om få år. En række genveje kunne udnyttes til at gøre tingene nemmere at observere, sagde Taylor. Den største genvej er at omfavne antagelsen, svarende til Einsteins generelle relativitetsteori, at det er lige meget, hvornår du starter eksperimentet – du skal altid få det samme resultat.

Taylor bemærkede, at ikke-gravitationelle kilder til kvantesammenfiltring skal overvejes, hvilket vil kræve omhyggelig design og målinger for at udelukke.