Sonuçta Gravitonları Tespit Etmek Mümkün Olabilir | Quanta Dergisi

Graviton tespit etmek — yerçekimi kuvvetini taşıdığı düşünülen varsayımsal parçacık — nihai fizik deneyidir. Ancak geleneksel bilgelik bunun yapılamayacağını söyler. Kötü şöhretli bir tahmine göre, Güneş'in yörüngesinde dönen Dünya büyüklüğünde bir aygıt her milyar yılda bir graviton yakalayabilir. On yılda bir tane yakalamak için, bir başkası hesaplama önerdi, bir nötron yıldızının yanına Jüpiter büyüklüğünde bir makine park etmeniz gerekecekti. Kısacası: olmayacak.

Yeni bir öneri, geleneksel bilgeliği altüst ediyor. Yerçekimi dalgaları olarak bilinen uzay-zamandaki dalgalanmalara ilişkin modern bir anlayışı kuantum teknolojisindeki gelişmelerle harmanlayan bir grup fizikçi, bir gravitonu - veya en azından bir gravitona yakından ilişkili bir kuantum olayını - tespit etmenin yeni bir yolunu tasarladı. Deney yine de devasa bir girişim olurdu, ancak mütevazı bir laboratuvarın alanına ve bir kariyerin süresine sığabilirdi.

"Bu, birkaç yıllık araştırmayla ulaşılabilecek bir şey" dedi Matteo FadelÖneriye dahil olmayan İsviçre Zürih Federal Teknoloji Enstitüsü'nde (ETH Zürih) deneyci olarak çalışan Dr.

"Bu çok orijinal bir öneri ve iyi düşünülmüş" dedi Frank WilczekMassachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde Nobel Ödülü sahibi fizikçi ve graviton algılama konusunda uzun süredir devam eden bir ilgiye sahip. "Bu alanda gerçek bir ilerleme olurdu."

Günümüzde, Albert Einstein'ın genel görelilik kuramı yerçekimini uzay-zaman dokusundaki düzgün eğrilere atfeder. Ancak kesin bir graviton tespiti, yerçekiminin tıpkı elektromanyetizma ve diğer temel kuvvetler gibi kuantum parçacıkları biçiminde geldiğini kanıtlayacaktır. Çoğu fizikçi yerçekiminin kuantum bir tarafı olduğuna inanır ve bir asrın büyük bölümünü onun kuantum kurallarını belirlemeye çalışarak geçirdiler. Bir graviton yakalamak, doğru yolda olduklarını doğrulayacaktır.

Ancak deney nispeten basit olsa bile, bir tespitin tam olarak neyi kanıtlayacağının yorumu öyle değildir. Olumlu bir sonucun en basit açıklaması gravitonların varlığı olurdu. Ancak fizikçiler gravitonlara hiç atıfta bulunmadan böyle bir sonucu yorumlamanın yollarını çoktan buldular.

Tartışma, kuantum çağının şafağından karmaşık, büyük ölçüde unutulmuş bir bölümü hatırlatıyor. 1905'te Einstein, deneysel verileri ışığın "kuantize" olduğu, artık foton adı verilen ayrı parçacıklar halinde geldiği anlamına gelecek şekilde yorumladı. Niels Bohr ve Max Planck da dahil olmak üzere diğerleri, ışığın klasik, dalga doğasının hala kurtarılabileceğini düşündüler. Fizikçilerin ışığın kuantize olduğunu inkar edilemez bir şekilde kanıtlaması, büyük ölçüde kuantumun ince doğası nedeniyle yetmiş yıl sürecekti.

Çoğu fizikçi, yerçekimi de dahil olmak üzere dünyadaki her şeyin kuantize olduğunu varsayar. Ancak bu varsayımı kanıtlamak, daha yeni başlayan yeni bir savaşı gerektirecektir.   

Yerçekiminden Gelen Tıklamalar

Yerçekimini deneysel olarak araştırmak zordur çünkü kuvvet son derece zayıftır. Uzay-zamanı önemli ölçüde bükmek ve belirgin bir yerçekimi çekimi oluşturmak için devasa kütlelere -gezegenleri düşünün- ihtiyacınız vardır. Karşılaştırma yapmak gerekirse, kredi kartı büyüklüğünde bir mıknatıs buzdolabınıza yapışacaktır. Elektromanyetizma ince bir kuvvet değildir.

Bu kuvvetleri incelemenin bir yolu, bir nesneyi rahatsız etmek ve ardından bunun sonucunda dışarı doğru yayılan dalgalanmaları gözlemlemektir. Yüklü bir parçacığı sallayın ve ışık dalgaları yaratacaktır. Büyük bir nesneyi rahatsız edin ve kütle çekim dalgaları yayacaktır. Gözbebeklerimizle ışık dalgalarını alırız, ancak kütle çekim dalgaları başka bir konudur. 2015 yılında, uzak kara delikler arasındaki bir çarpışmadan kaynaklanan uzay-zamanda bir gürültüyü ilk kez algılamak için onlarca yıllık çaba ve Lazer İnterferometre Kütle Çekim Dalgası Gözlemevi'ni (LIGO) oluşturan devasa, millerce uzunluktaki dedektörlerin inşası gerekti.

Tek bir gravitonu tespit etmek daha da zor olurdu, tıpkı bir okyanus dalgasındaki tek bir molekülün etkisini fark etmeye benzer. Ne kadar zor olurdu? 2012'deki bir konferansta, seçkin fizikçi Freeman Dyson kabul Güneş'ten gelen kütle çekim dalgaları, yıldızın içindeki maddenin şiddetli çalkalanmasının uzay-zamanda sürekli olarak hafif titremeler göndermesi gerekir. Bazen, bu dalgalanmalardaki gravitonlardan biri bir dedektördeki bir atoma çarpar ve bir elektronu daha yüksek bir enerji seviyesine fırlatırdı. Dyson, Dünya kadar büyük bir dedektörde, güneşin 5 milyar yıllık ömrü boyunca çalışırken, böyle bir etkinin sadece dört kez görülebileceğini hesapladı.

Dyson'ın açıklamalarından bu yana geçen on iki yılda, iki deneysel gelişme durumu daha az vahim hale getirdi. Birincisi, LIGO düzenli olarak kara delik çarpışmalarından ve ara sıra çarpışan nötron yıldızlarından gelen kütleçekim dalgalarını tespit etmeye başladı. Bu olaylar uzay-zamanı güneşin içsel çalkantısından çok daha yoğun bir şekilde sarsıyor ve Dyson'ın sızıntısının aksine bir graviton tufanı sağlıyor. İkincisi, deneyciler kuantum fenomenlerini ortaya çıkarma ve ölçme konusunda daha yetenekli hale geldiler.

Igor PikovskiNew Jersey'deki Stevens Teknoloji Enstitüsü'nde teorik fizikçi olan 2016'dan beri bu gelişmeleri düşünüyor. O zamanlar, kendisi ve üç işbirlikçisi, büyük bir kütleye sahip olmasına rağmen kuantum özellikleri gösteren bir süperakışkan helyum küvetinin yankılanacak şekilde kurulmuş belirli kütle çekim dalgalarına tepki olarak.

Yerçekimi dalgası dedektöründen bireysel graviton dedektörüne geçmek için başka bir kavramsal sıçrama yapılması gerekecektir. Yakın zamanda yayınlanan makalede, Doğa İletişim Ağustos ayında Pikovski ve meslektaşları graviton dedektörünün nasıl çalışacağını özetlediler.

Öncelikle, 15 kilogramlık bir berilyum çubuğu (veya benzer bir madde) alın ve onu neredeyse mutlak sıfıra, yani mümkün olan en düşük sıcaklığa kadar soğutun. Tüm ısıdan yoksun bırakılan çubuk, minimum enerjili "temel" durumunda kalacaktır. Çubuğun tüm atomları, tek bir devasa atom gibi, tek bir kuantum sistemi gibi birlikte hareket edecektir.

Sonra, derin uzaydan gelen bir kütle çekim dalgası geçene kadar bekleyin. Herhangi bir belirli gravitanın berilyum çubuğuyla etkileşime girme olasılığı düşüktür, ancak dalga o kadar çok graviton içerecektir ki en azından bir etkileşimin genel olasılığı yüksektir. Grup, doğru türden yaklaşık üç kütle çekim dalgasından birinin (nötron yıldızı çarpışmaları, birleşmeleri kara delik birleşmelerinden daha uzun sürdüğü için en iyi şekilde çalışır) çubuğu bir kuantum enerji birimiyle çınlatacağını hesapladı. Çubuğunuz LIGO tarafından doğrulanan bir kütle çekim dalgasıyla uyumlu bir şekilde yankılanırsa, kütle çekiminin neden olduğu kuantize bir olaya tanık olmuş olursunuz.

Pikovski, "Bu, kuantum kütleçekiminin önemli olduğu alana dair ilk penceremiz olacak" dedi.

Bu pencereyi açmakla ilgili bir avuç mühendislik engeli arasında en yükseği, ağır bir nesneyi temel durumuna koymak ve bir sonraki en düşük enerji durumuna sıçradığını hissetmek olurdu. Bu cephede en son teknolojiyi zorlayan gruplardan biri, Fadel ve işbirlikçilerinin kuantum özellikleri gösterene kadar minik safir kristalleri soğuttuğu ETH Zürih'tedir. 2023'te ekip, bir kristali aynı anda iki devlet — kuantum sisteminin bir diğer ayırt edici özelliği. Kütlesi 16 milyonda bir gramdı — bir kuantum nesnesi için ağırdı, ancak yine de Pikovski'nin çubuğundan yarım milyar kat daha hafifti. Yine de Fadel, önerinin gerçekleştirilebilir olduğunu düşünüyor. "Çok çılgınca olmazdı," dedi.

Pikovski'nin deneyi — Dyson'ınki gibi — Einstein'ın 1905'te ışığın kuantize olduğunu ileri sürmesine yol açan deneyin aynısını taklit ediyor, kuantum mekaniği tarihinde bir dönüm noktası. Wilczek, "Eğer gerçekleştirilirse, gravitonlar için olan durumdaki en son teknolojiyi 1905'te fotonlar için olan seviyeye getirecek," dedi.

Ders kitapları genellikle Einstein'ın makalesine fotonun varlığını kanıtlamasıyla itibar eder. Ancak gerçek hikaye çok daha ilginçtir. O zamanlar, birçok fizikçi Einstein'ın teorisini reddetti. Bazıları yirmi yıl boyunca ikna olmadı. Onlara göre, deney kesin bir kanıttan çok uzaktı. Aksine, ışığın gerçek doğasını belirlemek için on yıllar süren bir savaşın açılış argümanıydı.

Fotonun Gerçek Hikayesi

Fizikçiler, 19. yüzyılın son yıllarında klasik gerçeklik anlayışlarında ilk çatlakların açıldığını gördüler. JJ Thomson, elektrik akımlarının elektron adı verilen ayrı yük parçalarından geldiğini keşfetti. Bu arada fizikçiler, Heinrich Hertz ve diğerlerinin ışık kullanarak akım akışı sağlayan bir dizi deneyi üzerinde kafa yoruyorlardı; bu fenomene fotoelektrik etki adı verildi.

Bulmaca, bir metal levhaya sönük ışık huzmeleri yönlendirdiklerinde, bazen levhanın üzerinden bir elektrik akımının geçmesi ve bazen geçmemesiydi. Kuantum öncesi dünyada bunu açıklamak zordu. Herhangi bir dalganın en azından küçük bir akım yaratması gerektiğine ve daha parlak dalgaların daha büyük akımlar yaratması gerektiğine inanılıyordu. Bunun yerine, fizikçiler akımın akmasını sağlayan özel bir ışık renginin - bir frekansın - olduğunu buldular. Sadece o frekanstaki veya daha yüksek frekanstaki dalgalar bir akım başlatabilirdi. Parlaklığın bununla pek ilgisi yoktu.

Einstein 1905'te bir çözüm önerdi: Bir ışık dalgası, her biri dalganın frekansıyla ilişkili enerjiye sahip, "kuanta" adı verilen birçok ayrı birimden oluşur. Dalganın frekansı ne kadar yüksekse, kuantaları o kadar enerjiktir. Ve dalga ne kadar parlaksa, o kadar çok kuanta vardır. Düşük frekanslı kırmızı ışıkla metal bir plakada bir elektrik akımı başlatmaya çalışırsanız, ping pong toplarıyla bir buzdolabını devirmeye çalışmaktan daha başarılı olamazsınız; hiçbir sayı yeterli olmaz. Ancak daha yüksek frekanslı mavi ışık kullanmak, kayalara geçmek gibidir. Bu birimlerin her biri, çok az sayıda olan loş ışıkta bile bir elektronu uyarmaya yetecek kadar güçlüdür.

Einstein'ın teorisi şüphecilikle karşılandı. Fizikçiler, James Clerk Maxwell'in o zamanlar 40 yaşında olan ışığın elektromanyetik dalga olduğu teorisine karşı şiddetle korumacıydı. Işığın kırıldığını, kırıldığını ve dalgaların yaptığı her şeyi yaptığını görmüşlerdi. Parçacıklardan nasıl oluşmuş olabilirdi?

Einstein, fotoelektrik etki teorisiyle 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandıktan sonra bile fizikçiler arasında tartışmalar devam etti. Etki, bir şeyin kuantize olduğunu ileri sürüyordu; aksi takdirde elektronların akması için gereken minimum bir eşik olmazdı. Ancak kuantum teorisinin kurucularından biri olarak kabul edilen Niels Bohr da dahil olmak üzere bazı fizikçiler, yalnızca maddenin kuantize edilmiş olabileceği, ışığın kuantize edilmemiş olabileceği olasılığını araştırmaya devam ettiler. Günümüzde bu tür teoriye "yarı klasik" deniyor çünkü kuantize edilmiş maddeyle etkileşime giren klasik bir alanı tanımlıyor.

Yarı klasik bir teorinin fotoelektrik etkiyi nasıl açıklayabileceğini görmek için, bir çocuğu salıncakta hayal edin. Bir metaldeki elektron gibidirler. Bir temel durumları (sallanmayan) ve bir uyarılmış durumları (sallanan) vardır. Klasik bir dalga, çocuğa bir dizi itme vermek gibidir. İtmeler rastgele bir frekansta gelirse, hiçbir şey olmaz. Çocuk biraz zıplayabilir, ancak temel durumlarında kalırlar. Sadece doğru frekansta ittiğinizde — sallanmanın "yankılanan” frekansı — çocuğun enerji biriktirmesi ve sallanmaya başlaması. (Bir metaldeki elektronlar biraz farklıdır; sadece bir frekans yerine bütün bir sürekli frekans "bandı" ile rezonansa girerler. Ancak sonuç aynıdır: Bu frekans bandının altındaki herhangi bir dalga hiçbir şey yapmazken, bu frekans bandındaki herhangi bir dalga elektronları uyarır ve bir akım akışı oluşturur.)

Einstein sonunda haklı çıktı, ancak yalnızca fotoelektrik etkinin gücüyle değil. Daha sonra elektronları ve fotonları mermiler gibi çarpıştıran deneyler, momentumun da parçalar halinde geldiğini buldu. Bu araştırma sonunda ana alternatifi, Bohr ve işbirlikçilerinin yarı klasik bir ışık ve madde teorisini çürüttü. 1925'te verileri gören Bohr, "devrimci çabalarımıza mümkün olduğunca onurlu bir cenaze töreni düzenlemeyi" kabul etti ve ışığı kuantum katına kabul etti. Işık kuantaları foton olarak bilinmeye başlandı.

1925'ten sonra fotondan şüphe eden çok az kişi vardı, ancak fizikçiler titiz değilse hiçbir şey değillerdir. Kimse uygulanabilir bir yarı klasik teori düşünemiyor diye, böyle bir teorinin var olmadığı anlamına gelmiyordu. son kanıt fotonların gerçek olduğu 1970'lerin sonlarında, kuantum optik araştırmacılarının ışığın bir dedektöre hiçbir yarı klasik teorinin taklit edemeyeceği bir düzende ulaştığını göstermesiyle ortaya çıktı. Deneyler, saniyede bir kez bir foton silahı ateşlemeye ve dedektörün buna karşılık saniyede bir kez tıkladığını doğrulamaya benziyordu. Foton savaşları bir iniltiyle sona erdi.

Wilczek, "Bu foton konseptinin yararlı ve hayati olduğuna dair dağlar kadar kanıt vardı" dedi.

Graviton Savaşları Başlıyor

2023 yılının Ağustos ayında, daniel carney ve işbirlikçileri yeni bir savaşın ilk ateşini attılar.

Her şey, Carney'nin meslektaşı Nicholas Rodd'un Pikovski'ninkine benzer bir içgörüye sahip olmasıyla başladı, bir graviton tespit etmenin olası bir yolu hakkında. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Carney, "Çok heyecanlandık," dedi.

Ancak kendisi ve işbirlikçileri literatürü araştırdıklarında, fotonun karmaşık geçmişini ve kuantum optik araştırmacılarının 1970'lerde son boşlukları kapatmak için gittikleri mesafeleri ortaya çıkardılar. Bu daha katı testleri kütleçekimsel bağlama çevirdiler ve Dyson'ın haklı olduğunu buldular. Kuantumculuğu, Pikovski'nin önerisinin tarzında bir tsunamiden bir tane çıkarmak yerine, tek tek gravitonları tespit ederek gerçekten kanıtlamak, gerçekten de gezegen ölçeğinde makineler gerektirecekti.

Carney, "Hipotezinizi gerçekten çok hızlı bir şekilde %100 oranında revize etmek zorunda kalmak çılgıncaydı" dedi.

Şimdi graviton avcıları kendilerini tuhaf bir konumda buluyorlar. Ana gerçekler konusunda herkes hemfikir. Birincisi, kütleçekim dalgası tarafından tetiklenen bir kuantum olayını tespit etmek - şaşırtıcı bir şekilde - mümkün. İkincisi, bunu yapmak kütleçekim dalgasının kuantize olduğunu açıkça kanıtlamaz. "Aynı sinyali üretecek klasik bir kütleçekim dalgası yapabilir misiniz? Cevap evet," dedi Carney, iki ortak yazarla birlikte bu tür deneyleri analiz etti Fiziksel İnceleme D Şubat ayında.

Fizikçilerin deneyden ne kadar öğreneceklerini hissettikleri değişir. Bazılarına göre, kütle çekiminin bir kuantum kuvveti olduğu güçlü bir şekilde öne sürülebilir çünkü alternatif - kütle çekimi ve maddeye dair yarı klasik bir teori - diğer gerekçelerle tercih edilmez. Bu tür teoriler örneğin enerjinin korunumunu ihlal eder. Berilyum çubuğu bir kuantum enerji kazanırsa, enerji korunumu kütle çekim dalgasının bir kuantum enerji kaybetmiş olması gerektiğini gerektirir - ve bu nedenle de kuantize olması gerekir. (Einstein bu tür bir argümanı 1911'de foton için ileri sürdü.) Yarı klasik teoriler bu saygıdeğer ilkeyi feda ederek kütle çekiminin klasikliğini kurtarır.

Wilczek, "Çok yapay yorumlar kullanmadığınız sürece," dedi, "bu size kuantum mekaniğini kütle çekim dalgasına uygulamanız gerektiğini söyler."

Pikovski, "Kuantumsallığın izlerini görmek istiyorsam, ilk hedefim bu patolojik şeyleri dışlamak değil" dedi.

Ancak Carney gibi fizikçiler için, yer çekiminin kuantize olduğuna dair güçlü bir öneri o kadar da bilgilendirici değildir. Tüm gerçekliğin kuantize olduğuna dair zaten bol miktarda güçlü önerimiz var, diyor. Gereken şey kanıttır — ne kadar tuhaf görünürlerse görünsünler, kalan boşlukları kapatacak deneyler gibi.

"Her şeyin kuantum olduğunu düşünmeye o kadar önyargılıyız ki, gerçekten de hukuksal bir şey yapmalısınız" dedi.

Başlangıç ​​noktası

Pikovski'nin önerisi bir boşluk kapatma deneyi olmasa da, birçok fizikçi yine de bunun gerçekleşmesini isterdi. Bu, yakın zamana kadar oldukça uzak görünen deneysel kuantum kütleçekiminin bir döneminin şafağını işaret ederdi.

"Bu heyecan verici bir makale" dedi Alex SuşkovBoston Üniversitesi'nde deneysel fizikçi olan . "Bunlar zor deneyler ve bu yönde hareket etmek için zeki, akıllı insanlara ihtiyacımız var."

"Bunu bir başlangıç ​​noktası olarak alabiliriz" dedi Myungshik Kim, Imperial College London'da fizikçi.

Fizikçileri kuantum yerçekimi çağının derinliklerine götürecek sonraki deneyleri motive edebilir, tıpkı saçılma deneylerinin bir zamanlar onları foton çağının derinliklerine götürdüğü gibi. Fizikçiler artık kuantum mekaniğinin kuantizasyondan çok daha fazlası olduğunu biliyorlar. Kuantum sistemleri örneğin süperpozisyon olarak bilinen durum kombinasyonlarını alabilir ve parçaları, birini ölçmenin diğeri hakkında bilgi ortaya çıkaracağı şekilde "dolaşık" hale gelebilir. Yerçekiminin bu fenomenleri sergilediğini ortaya koyan deneyler, daha güçlü kanıt kuantum yerçekimi için ve araştırmacılar bunları gerçekleştirmenin ne gerektireceğini şimdiden araştırıyorlar.

Yerçekiminin kuantum tarafına dair bu testlerin hiçbiri tamamen kesin değil, ancak her biri evrenin en zayıf kuvvetinin en ince özellikleriyle ilgili bazı sert veriler sağlayacaktır. Şimdi, berilyumun soğuk bir kuantum çubuğu, o uzun ve dolambaçlı yolda ilk adımı işaretleyecek bir deney için başlıca aday gibi görünüyor.