Nyt arbejde afslører tyngdekraftens kvantitet

Tyngdekraften er en del af vores hverdag. Alligevel forbliver tyngdekraften mystisk:den dag i dag forstår vi ikke, om dens ultimative natur er geometrisk, som Einstein havde forestillet sig, eller styret af kvantemekanikkens love.

Indtil nu har alle eksperimentelle forslag til at besvare dette spørgsmål været afhængige af at skabe kvantefænomenet sammenfiltring mellem tunge, makroskopiske masser. Men jo tungere et objekt er, jo mere har det en tendens til at afgive sine kvantetræk og blive "klassisk", hvilket gør det utroligt udfordrende at få en tung masse til at opføre sig som en kvantepartikel

I en undersøgelse offentliggjort i Physical Review X i denne uge foreslår forskere fra Amsterdam og Ulm et eksperiment, der omgår disse problemer.

Klassisk eller kvante?

En succesfuld kombination af kvantemekanik og gravitationsfysik er en af ​​hovedudfordringerne for moderne videnskab. Generelt er fremskridt på dette område hæmmet af, at vi endnu ikke kan udføre eksperimenter i regimer, hvor både kvante- og gravitationseffekter er relevante.

På et mere grundlæggende niveau, som nobelprismodtageren Roger Penrose engang udtrykte det, ved vi ikke engang, om en kombineret teori om tyngdekraft og kvantemekanik vil kræve en "kvantisering af tyngdekraften" eller en "gravitisering af kvantemekanikken."

Med andre ord:Er tyngdekraften grundlæggende en kvantekraft, hvor dens egenskaber bestemmes på mindst mulige skalaer, eller er det en "klassisk" kraft, som en geometrisk beskrivelse i stor skala er tilstrækkelig til? Eller er det noget andet endnu?

Det har altid set ud til, at for at besvare disse spørgsmål ville det typiske kvantefænomen sammenfiltring spille en central rolle. Ludovico Lami, matematisk fysiker ved Universitetet i Amsterdam og QuSoft, siger:"Det centrale spørgsmål, der oprindeligt blev stillet af Richard Feynman i 1957, er at forstå, om et massivt objekts gravitationsfelt kan komme ind i en såkaldt kvantesuperposition, hvor det ville være i flere stater på samme tid.

"Før vores arbejde var hovedideen til at afgøre dette spørgsmål eksperimentelt at lede efter gravitationelt induceret sammenfiltring - en måde, hvorpå fjerne, men beslægtede masser kunne dele kvanteinformation. Eksistensen af ​​en sådan sammenfiltring ville falsificere hypotesen om, at gravitationsfeltet er rent lokalt og klassisk."

En anden vinkel

Hovedproblemet med de tidligere forslag er, at fjerne, men relaterede massive objekter - kendt som delokaliserede stater - er meget udfordrende at skabe. Det tungeste objekt, som til dato er observeret kvantedelokalisering, er et stort molekyle, meget lettere end den mindste kildemasse, hvis tyngdefelt er blevet detekteret, som er lige under 100 mg - mere end en milliard milliarder gange tungere. Dette har skubbet ethvert håb om en eksperimentel realisering årtier væk.

I det nye værk præsenterer Lami og hans kolleger fra Amsterdam og Ulm - interessant nok stedet, hvor Einstein blev født - en mulig vej ud af dette dødvande. De foreslår et eksperiment, der ville afsløre tyngdekraftens kvantegrad uden at generere nogen sammenfiltring.

Lami forklarer, "Vi designer og undersøger en klasse af eksperimenter, der involverer et system af massive 'harmoniske oscillatorer' - for eksempel torsionspendler, i det væsentlige som den, som Cavendish brugte i sit berømte eksperiment fra 1797 til at måle styrken af ​​tyngdekraften. Vi etablere matematisk strenge grænser for visse eksperimentelle signaler for kvante, som en lokal klassisk tyngdekraft ikke burde være i stand til at overvinde.

"Vi har nøje analyseret de eksperimentelle krav, der er nødvendige for at implementere vores forslag i et egentligt eksperiment, og finder ud af, at selvom der stadig er behov for en vis grad af teknologiske fremskridt, kan sådanne eksperimenter virkelig være inden for rækkevidde snart."

En skygge af sammenfiltring

Overraskende nok, for at analysere eksperimentet, har forskerne stadig brug for det matematiske maskineri af sammenfiltringsteori i kvanteinformationsvidenskab. Hvordan er det muligt? Ifølge Lami:"Årsagen er, at selvom sammenfiltring ikke er der fysisk, er den der stadig i ånden - i en præcis matematisk forstand. Det er nok, at sammenfiltring kunne være blevet genereret."

Forskerne håber, at deres papir kun er begyndelsen, og at deres forslag vil hjælpe med at designe eksperimenter, der kan besvare det grundlæggende spørgsmål om tyngdekraftens kvantekraft meget tidligere end forventet.

Flere oplysninger: Ludovico Lami et al., Testing the Quantumness of Gravity without Entanglement, Physical Review X (2024). DOI:10.1103/PhysRevX.14.021022

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang X

Leveret af University of Amsterdam