У нас есть все основания полагать, что гравитация является, по сути, квантовой теории. Но как мы это докажем раз и навсегда? Об этом рассказывает Доктор Сабина Hossenfelder, физик-теоретик, специалист по квантовой гравитации и физики высоких энергий. Далее, от первого лица.
Если у вас хорошее зрение, маленькие объекты можно увидеть будет составлять примерно одну десятую миллиметра: Ширина примерно с человеческий волос. Добавить технологии, и мельчайшие структуры, которые мы могли бы измерить в данный момент, было около 10-19 метров, длина столкновения протонов на lhc. Нам потребовалось 400 лет, чтобы перейти от очень примитивный микроскоп на строительство танка улучшается на 15 порядков на протяжении четырех веков.
Квантовые эффекты силы тяжести оцениваются как соответствующие по шкале расстояний около 10-35 метров, известный как Планковская длина. Это путь назад, в 16 порядков или иного фактора в 1016 с точки зрения энергии столкновения. Это делает вам интересно, если это вообще возможно, или все усилия в попытке найти квантовую теорию гравитации всегда будет оставаться досужие выдумки.
Я оптимист. История науки полна людей, которые думали, что многое было невозможно, но на самом деле он был наоборот: измерения отклонения световых лучей в гравитационном поле Солнца, машина тяжелее воздуха, обнаружения гравитационных волн. Так что я не думаю, что это невозможно экспериментальная проверка квантовой гравитации. Могут потребоваться десятки и сотни лет — но если мы продолжим, когда-нибудь мы будем в состоянии измерить эффекты квантовой гравитации. Не обязательно в результате прямого достижение следующих 16 порядков, а скорее косвенное обнаружение при меньших энергиях.
Но из ничего ничто не возникает. Если мы не должны думать о том, как могут эффекты квантовой гравитации и где они ни казались, мы определенно никогда не найти его. Мой оптимизм подпитывает растущий интерес к феноменологии квантовой гравитации, область исследования, посвященные изучению как лучше искать проявления квантово-гравитационные эффекты.
Поскольку квантовая гравитация-это не придуманный одной внятной теории, попытка найти наблюдаемых явлений сосредоточены на поиске способов проверки теории сходства, находя свойства, которые были обнаружены в каких-то разных подходов к квантовой гравитации. Например, квантовые флуктуации пространства-времени или наличие «минимальной длины», которая позволит установить фундаментальный предел разрешения. Такие последствия могут быть определены с помощью математических моделей, а затем оценить силу этих возможные последствия и понимать, что за эксперименты могли бы дать лучшие результаты.
Проверка квантовой гравитации в течение длительного времени считается в недоступном для экспериментов, судя по оценкам, нам нужен коллайдер размером с Млечный путь для разгона протонов достаточно, чтобы произвести измеримое количество гравитонов (квантов гравитационного поля), или вам нужен детектор размером с Юпитер для измерения гравитонов, которые рождаются везде. Не невозможно, но это явно не то, что ожидается в ближайшем будущем.
Подобные рассуждения, однако, относятся только к прямым обнаружения гравитонов, но это не только проявления эффектов квантовой гравитации. Есть много других наблюдаемых последствий, которые могут поднять квантовой гравитации, некоторые из которых мы уже обыскали некоторые из которых мы планируем исследовать. Хотя наши результаты являются чисто негативными. Но даже отрицательные ценны, потому что они говорят нам, какие свойства нам нужна теория, не может иметь.
Один из проверка эффектов квантовой гравитации, например, может быть нарушение симметрии, которые являются основополагающими для специальной и общей теории относительности известно, как Лоренц-инвариантность. Интересно, что нарушения Лоренц-инвариантности, не обязательно мелко, даже если вы создаете расстояниях, которые слишком малы, чтобы быть наблюдаемым. Симметрии, однако, будет протекать по реакции многих частиц при доступных энергиях с невероятно высокой точностью. Никаких доказательств нарушения Лоренц-инвариантности еще не был обнаружен. Может показаться, что это не много, но знаю, что эта симметрия должна соблюдаться с высокой степенью точности и в квантовой гравитации, вы можете использовать это в теории дизайна.
Другие проверки, последствия могут быть в пределах слабое поле квантовой гравитации. В ранней Вселенной квантовые флуктуации пространства-времени приведет к колебаниям температуры, которые происходят в материи. Эти колебания температуры наблюдаются и сегодня, будучи запечатлен реликтового излучения (РИ). Принт «первичных гравитационных волн в космическом микроволновом фоне пока не проводилось (ЛИГО недостаточно чувствительны к нему), но ожидается, что он должен быть в пределах одного-двух порядков величины в зависимости от текущей точности измерений. В поисках этого сигнала используются во многих экспериментальных коллабораций, в том числе бицепс, POLARBEAR, и обсерватория Планк.
Другой способ проверки слабых ограничение поля квантовой гравитации являются попытки ввести крупные объекты в квантовой суперпозиции: предметы, которые намного тяжелее, чем элементарные частицы. Это сделает гравитационное поле сильнее, и потенциально позволяет пользователям проверять квантового поведения. Наиболее трудные объекты, которые нам все-таки удалось связать в суперпозиции, весят около нанограмма, это на несколько порядков меньше, чем нужно, чтобы измерить гравитационное поле. Но недавно группа ученых в Вене предложили экспериментальную схему, которая позволит нам измерить гравитационное поле значительно более точно, чем раньше. Мы медленно приблизиться к квантовой гравитации диапазона.
(Обратите внимание, что этот термин отличается в астрофизике, где «сильной гравитации» иногда используется, чтобы обратиться к чему-то другому, например, большие отклонения от Ньютоновской гравитации, который можно найти вблизи горизонта событий черных дыр).
Сильные эффекты квантовой гравитации тоже может оставить отпечаток (отличаются от воздействия слабых полей) в реликтового излучения (радиационного фона), в частности, Тип корреляций, которые находятся между колебания. Существуют различные модели струнной космологии и квантовой космологии петли, которые изучают наблюдаемые эффекты, и предложил эксперименты, как ЭВКЛИД, с помощью призмы, и после WFIRST, можно найти первый признак.
Есть еще одна интересная идея, на основе современных теоретических открытий, что гравитационный коллапс вещества не всегда могут сформировать черную дыру — вся система будет избежать образования горизонта. Если так, то оставшийся объект откроет нам вид на район с квантово-гравитационные эффекты. Непонятно, правда, какие сигналы мы должны искать, чтобы найти такой объект, но это перспективное направление поиска.
Действительно много идей. Большой класс моделей предусматривает возможность того, что квантовые гравитационные эффекты дают пространственно-временные свойства среды. Это может привести к рассеиванию света, двулучепреломление, декогеренция или непрозрачность пустое пространство. Все рассказывать не буду. Но, без сомнения, придется сделать гораздо больше. Поиск доказательств, что гравитация действительно является квантовая сила, которая уже началась.
Когда мы испытываем квантовой гравитации?
Илья Хель
