Ένα «τύπου-Cavendish» πείραμα αναζητά τη κβαντική ταυτότητα της βαρύτητας

03/06/2024

Ερευνητές προτείνουν ένα νοητικό πείραμα που θα μπορούσε να ρίξει φως στην φύση της βαρύτητας

Αργύρης Γκιώνης

Μαθηματικοί φυσικοί από Πανεπιστήμια της Ολλανδίας και της Γερμανίας, πρότειναν ένα νέο πείραμα που ομοιάζει με εκείνο που πραγματοποίησε ο Henry Cavendish ( Χένρι Κάβεντις) το 1798 για την μέτρηση της σταθεράς της παγκόσμιας έλξης (στην πραγματικότητα το πείραμα που πραγματοποίησε με τον ζυγό στρέψης, είχε ως πρωταρχικό στόχο τη μέτρηση της μάζας της Γης). Οι επιστήμονες υποστηρίζουν πως το πείραμα αυτό, εάν πραγματοποιηθεί, θα μπορέσει να προσφέρει πληροφορίες σχετικά με το εάν η βαρύτητα είναι τελικά κλασικό ή κβαντικό φαινόμενο. Θα ανοίξει λοιπόν το δρόμο στο ερώτημα που τίθεται για την ικανότητα ή μη «συμφιλίωσης» της βαρύτητας με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις, μέσω κβαντομηχανικών περιγραφών.

Η βαρύτητα είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης (ισχυρή, ηλεκτρομαγνητική, ασθενής, βαρυτική). Είναι διαφορετική από τις άλλες, καθώς περιγράφει κυρίως την έννοια της καμπυλότητας του χωροχρόνου (όπως αυτή προβάλλεται μέσα από τη Γενική θεωρία της σχετικότητας του Einstein), από ότι τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωμάτων (στο «κόσμο της γενικής σχετικότητας», ο χώρος και ο χρόνος ενώνονται και αποτελούν ένα «κοσμικό σεντόνι», το σύμπαν, πάνω στο οποίο τοποθετούνται τα ουράνια σώματα. Η καμπύλωση του «σεντονιού» αυτού από τα ουράνια σώματα είναι αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως βαρύτητα).

Πολλά πειράματα που προσπαθούν να λύσουν το μυστήριο της κβαντικής ή μη φύσης της βαρύτητας, βασίζονται στη δημιουργία κβαντικών εναγκαλισμένων καταστάσεων μεταξύ μακροσκοπικών αντικειμένων τοποθετημένα σε μια συγκεκριμένη απόσταση μεταξύ τους (ο κβαντικός εναγκαλισμός ή κβαντική σύμπλεξη είναι ένα φαινόμενο στη κβαντική φυσική που περιγράφει τις ισχυρές συσχετίσεις στην κίνηση μεταξύ δύο σωματιδίων). Ο εναγκαλισμός είναι ένα φαινόμενο χωρίς κλασικό ανάλογο και επομένως ένας τρόπος διάκρισης του κλασικού από το κβαντικό κόσμο.

Η υπόθεση των παραπάνω πειραμάτων είναι πως εάν τεράστια αντικείμενα(μακροσκοπικά), απομακρυσμένα μεταξύ τους, μπορούν να εναγκαλιστούν, τότε η βαρύτητα έχει κβαντικό χαρακτήρα.

Ρίχνοντας στο φως τη κβαντική φύση της Βαρύτητας χωρίς τον εναγκαλισμό

Το πρόβλημα με τις παραπάνω υποθέσεις που αναφέρθηκαν, στηρίζεται στη δυσκολία «εξαναγκασμού» μεγάλων σωμάτων να συμπεριφερθούν σαν κβαντικά σωματίδια. Μάλιστα όσο ποιο μεγάλο είναι ένα σώμα τόσο περισσότερο «χάνει» τις κβαντικές του ιδιότητες και άρα συμπεριφέρεται εντελώς… κλασικά!

Ο Ludovico Lami (από το πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ) σε συνεργασία με τους Martin Plenio και Julen Pedernales (Πανεπιστήμιο του Ulm, Γερμανία), επινόησαν ένα νοητικό πείραμα που θα «εμφανίσει» τις κβαντικές ιδιότητες της βαρύτητας χωρίς την βοήθεια του εναγκαλισμού. Η πρόταση τους περιλαμβάνει τη μελέτη μεταξύ δύο ταλαντευόμενων ζυγών στρέψης (ράβδοι με τοποθετημένα σφαιρίδια στα άκρα τους ουσιαστικά), τοποθετημένα κοντά το ένα στο άλλο, ώστε να πλησιάζουν και να απομακρύνονται μεταξύ τους συνεχώς.

Η διάταξη ομοιάζει με εκείνη του Cavendish που αναφέραμε στην αρχή, απλά εδώ λειτουργεί με διαφορετικό σκοπό. Ο στόχος του πειράματος -αναφέρουν οι επιστήμονες- , θα είναι η εύρεση συσχετισμών που δημιουργούνται από τη δυναμική διαδικασία που βασίζεται στη βαρύτητα, καθώς και πως οι βαρυτικές αυτές συσχετίσεις, δεν μπορούν να αναπαραχθούν μέσα από τοπικές, κλασικές εκδοχές της βαρύτητας. Στη κβαντική πληροφορία, αναφέρει ο Lami, αυτού του τύπου η δυναμική, καλείται LOCC (local operations and classical communications).

Τα μοντέλα LOCC αναφέρονται σε κβαντικά συστήματα που χωρίζονται σε ομάδες (μικρότερα συστήματα), στα οποία πραγματοποιούνται μετρήσεις οι οποίες υφίστανται μεταξύ τους τον περιορισμό της τοπικότητας (Οι μετρήσεις είναι ανεξάρτητες, δεν επηρεάζει η μία την άλλη). Τα συστήματα αυτά προκειμένου να «ενισχύσουν» τα δεδομένα που έχουν, ώστε να πραγματοποιήσουν μια καλύτερη μέτρηση, μπορούν να ανταλλάσσουν μεταξύ τους «κλασικά δεδομένα» (π.χ.: Τη διάδοση τυχαιότητας ή αποτελέσματα μιας προηγούμενης μέτρησης).

Μάλιστα οι επιστήμονες που επιστρατεύτηκαν την ιδέα, προσπαθούν να κατασκευάσουν κάποιες μαθηματικές εξισώσεις (ανισότητες LOCC), των οποίων η παραβίαση, αν επιβεβαιωθεί και από κάποιο μελλοντικό πείραμα, θα καταρρίπτει όλα τα LOCC μοντέλα. Η παραβίαση των ανισοτήτων αυτών θα φανερώνει πως δεν θα υπάρχει κλασική συσχέτιση μεταξύ των κβαντικών συστημάτων (εδώ τα κβαντικά συστήματα είναι οι ζυγοί στρέψης στο πείραμα που ταλαντώνονται), που αλληλοεπιδρούν βαρυτικά, αφήνοντας ως μοναδική λύση για τη βαρύτητα, τη κβαντική εκδοχή της.

Ένα διαφορετικό μονοπάτι

Οι ερευνητές, οι οποίοι περιγράφουν εξονυχιστικά την δουλεία τους στο περιοδικό Physical Review X, αποφάσισαν να εξετάσουν αυτό το τρόπο για την ανίχνευση «κβαντικής φύσης» της βαρύτητας, λόγω των δυσκολιών που παρουσιάζουν οι παραδοσιακές τεχνικές και τα υπάρχων προτεινόμενα πειράματα.

Οι Lami, Plenio και Pedernales, εργάζονται τώρα ώστε να μπορέσουν να «ενσαρκώσουν» την θεωρητική τους ανάλυση σε πραγματικά πειράματα.

Τελειώνοντας, αναφέρουν στο άρθρο τους, πως τα αποτελέσματα που έβγαλαν και οι θεωρήσεις που πραγματοποίησαν θα βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση της φύσης της βαρύτητας καθώς και στην δημιουργία νέων καινοτόμων πειραμάτων με τη χρήση κβαντικών τεχνολογιών που υπόσχονται να «αποκρυπτογραφήσουν» τα μυστικά της.

ΠΗΓΗ: www.tovima.gr