Is zwaartekracht een grootheid? Een nieuwe ervaring om de diepten van het universum te verkennen

• Wetenschappers ontwikkelen een experiment om te testen of de zwaartekracht kwantum is of niet
• In de kwantummechanica, die het gedrag van atomen en moleculen beschrijft, gedragen dingen zich anders dan alles wat we weten: ze kunnen zich in een staat van kwantumsuperpositie bevinden, zodat ze zich op twee plaatsen tegelijk bevinden.
• Nu zoeken wetenschappers naar een manier om te bepalen of de zwaartekracht op deze manier werkt, door kleine diamanten in een vacuüm te laten zweven
• Als de zwaartekracht kwantum zou zijn, zouden diamanten ‘verstrengeld’ zijn – een interessant fenomeen dat twee objecten sterk met elkaar verbindt op manieren die in het dagelijks leven onmogelijk zijn
• Dit onderzoek zal helpen zwarte gaten te begrijpen de grote explosieEn het universum

Kwantumzwaartekrachtexperiment

Wetenschappers ontwikkelen een experiment om te testen of de zwaartekracht kwantum is, een van de diepste vragen over ons universum.

De algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica zijn onze twee basisbeschrijvingen van de natuur. De algemene relativiteitstheorie verklaart de zwaartekracht op grote schaal, terwijl de kwantummechanica het gedrag van atomen en moleculen verklaart.

De uitdaging van het verenigen van theorieën

Het belangrijkste onopgeloste probleem in de fundamentele natuurkunde is misschien wel de juiste manier om deze twee theorieën te combineren: om te bepalen of de zwaartekracht op kwantumniveau werkt. Hoewel theoretisch werk veel mogelijkheden heeft gesuggereerd, zijn experimenten nodig om het gedrag van de zwaartekracht volledig te begrijpen.

Een laserstraal in het laboratorium van Gavin Morley onderzoekt de kwantumeigenschappen van diamanten. Krediet: Gavin Morley

Een revolutionaire ervaring van het mondiale consortium

Honderd jaar lang leken experimenten met de kwantumaard van de zwaartekracht vergezocht, maar nu zullen wetenschappers van de universiteiten van Warwick, University College London, Yale (VS), Northwestern (VS) en Groningen (Nederland) samenwerken om onderzoek deze puzzel. .

Hun nieuwe idee is om twee kleine diamanten in een vacuüm te tillen en ze allebei in een kwantumsuperpositie te plaatsen, waarbij ze zich op twee plaatsen tegelijk bevinden. Dit contra-intuïtieve gedrag is een fundamenteel kenmerk van de kwantummechanica.

Professor Morley’s visie op het experiment

Elke diamant kan worden gezien als een kleinere versie van Schrödingers kat. Hoofdonderzoeker Professor Gavin Morley, Afdeling Natuurkunde, Universiteit van WarwickHij legt uit: ‘De kat van Schrödinger is een gedachte-experiment dat suggereert dat het heel vreemd zou zijn als alledaagse voorwerpen (en huisdieren!) zich in een staat van kwantumsuperpositie bevinden omdat ze op twee plaatsen tegelijk zijn. We willen de grenzen hiervan testen. idee.”

“We hebben met succes atomen en moleculen in deze staat van superpositie geplaatst, maar we willen dit doen met veel grotere objecten. Onze diamanten bestaan ​​uit een miljard of meer atomen. Om de kwantumaard van de zwaartekracht te testen, moeten we op zoek gaan naar interacties tussen twee van deze diamanten vanwege de zwaartekracht.”

“Als de zwaartekracht kwantum zou zijn, zou het twee diamanten kunnen verstrengelen. Verstrengeling is een uniek kwantumeffect waarbij twee dingen sterker met elkaar verbonden zijn dan in ons dagelijks leven mogelijk is. Als twee munten bijvoorbeeld met elkaar verstrengeld zouden kunnen zijn, zou je kunnen ontdekken dat als je ze omdraait, komen ze op dezelfde manier naar beneden, ook al is het onmogelijk om te weten of het zowel kop als munt zal zijn.

Uitdagingen en gevolgen

Er zijn nog veel uitdagingen bij het realiseren van dit idee, die het team tijdens het project zal onderzoeken. “We moeten bijvoorbeeld alle interacties tussen nanodeeltjes, behalve de zwaartekracht, elimineren, wat erg moeilijk is omdat de zwaartekracht zo zwak is”, zegt Dr. David Moore, van Yale universiteit.

Professor Morley, oprichter en directeur van Warwick Quantum, een nieuw multidisciplinair onderzoeksinitiatief op het gebied van kwantumtechnologie, voegde hieraan toe: “Voor mij is het belangrijkste probleem in de natuurkunde op dit moment het ontwikkelen van een experiment dat de kwantumaard van de zwaartekracht kan testen. Dit nieuwe project is een versnelling van onze spannende reis daar naartoe.

Perspectieven van samenwerkende wetenschappers

Professor Sugato Bose van het University College London merkte op: “Het is moeilijk te overschatten hoe belangrijk het is voor natuurkundigen om experimenten uit te voeren die de juiste manier kunnen ontdekken om de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie te combineren. Mensen die werken aan theorieën over kwantumzwaartekracht, zoals De snaartheorie richt zich meestal op wat er gebeurt bij hoge energieën, in de buurt van zwarte gaten en bij de oerknal.

“Ons werk wordt daarentegen gedaan in het lage-energieregime hier op aarde, maar het zal ook waardevolle informatie opleveren over… of Zwaartekracht is kwantum. Het experiment kan ook worden beschouwd als een verificatie van de algemene voorspelling van welke kwantumtheorie dan ook over zwaartekracht bij lage energieën.

Professor Anupam Mazumdar van de Rijksuniversiteit Groningen voegt hieraan toe: “Op weg naar het begrijpen van de kwantumaard van de zwaartekracht kunnen we wellicht andere aspecten van de fundamentele natuurkunde testen, zoals exotische afwijkingen van de Newtoniaanse zwaartekracht over korte afstanden.”

“Dit is een uitdagend experiment, en dit project is baanbrekend in het aanpakken van enkele van de belangrijkste technische uitdagingen om deze tests van de kwantumaspecten van de zwaartekracht werkelijkheid te maken”, zegt Andrew Geraci, universitair hoofddocent natuurkunde. Noordwestelijke Universiteit.

Het project heet “MAST-QG: Macroscopische superposities richting het bekijken van de kwantumaard van de zwaartekracht.”