Matematika tidak akan menyelesaikan masalah gravitasi quantum, hanya eksperimen yang bisa melakukannya
Pada pertengahan 1990-an, saya belajar matematika. Saya tidak sepenuhnya yakin apa yang ingin saya lakukan dalam hidup, tetapi saya dikejutkan oleh kemampuan matematika untuk menggambarkan dunia alami. Setelah kelas-kelas dalam geometri diferensial dan Lie algebras, saya menghadiri serangkaian seminar dari Departemen Matematika, yang membahas masalah terbesar fisika fundamental: kuantifikasi gravitasi dan penyatuan semua kekuatan alam di bawah satu payung teoretis. Lokakarya diadakan di sekitar pendekatan baru yang dikembangkan oleh Abei Ashtekar dari University of Pennsylvania. Saya belum pernah menemukan studi ini sebelumnya, dan meninggalkan di sana dengan kesan penuh bahwa masalahnya telah diselesaikan, dan belum ada orang lain yang tahu tentang hal itu.
Semua ini tampaknya merupakan kemenangan murni dari pikiran yang jernih. Persyaratan konektivitas matematika menyebabkan, misalnya, untuk penemuan boson Higgs. Tanpa itu, Model Standar untuk partikel yang bertabrakan dengan energi di atas 1 TeV akan berhenti bekerja - dan energi semacam itu tersedia di Large Hadron Collider. Probabilitas tidak akan memberikan total 100% dan akan kehilangan arti matematisnya. Karena itu, ketika melewati batas energi ini, sesuatu yang baru seharusnya muncul. Higgs adalah yang paling sederhana dari kemungkinan yang dapat ditemukan oleh fisikawan, dan mereka secara alami menemukannya.
Bintang neutron yang bergerak cepat, PSR B1509-58, tinggal di nebula ini. Bintang neutron memancarkan pulsa reguler dalam jangkauan radio, dan mereka dapat digunakan untuk mencari efek gravitasi kuantum.Pada 1920-an dan 1930-an, perbedaan matematika antara teori relativitas khusus Einstein dan versi asli mekanika kuantum menyebabkan munculnya teori medan kuantum, yang menjadi landasan Model Standar. Ketidaksesuaian matematis antara teori relativitas khusus dan gravitasi Newton telah memunculkan teori relativitas umum - teori gravitasi paling modern kita. Sekarang, fisikawan memiliki perbedaan antara Model Standar dan GR. Tentu saja, kami berharap bahwa solusi dari masalah ini dalam bentuk teori gravitasi quantum akan menjadi gangguan penutup yang sama dengan kasus-kasus sebelumnya.
Namun seiring waktu, saya belajar tentang peneliti lain yang menggunakan metode lain, dan yakin bahwa mereka juga hampir menyelesaikan masalah. Teori string, loop quantum gravity, triangulasi dinamis kausal, gravitasi asimptotik aman, set kausal ... Ilmuwan yang mempraktikkan pendekatan ini juga yakin bahwa mereka dapat menguraikan alam hanya dengan menggunakan matematika. Mereka berbeda bukan karena salah satu dari mereka membuat kesalahan dalam kesimpulan matematika, tetapi karena mereka mulai dari tempat yang berbeda. Matematika diperlukan untuk melakukan serangkaian kesimpulan logis, tetapi tidak satu pun kesimpulan matematika yang lebih baik dari premisnya. Logika tidak cukup untuk memilih antara teori fisik. Satu-satunya cara untuk mengetahui teori mana yang menggambarkan alam adalah dengan melakukan tes eksperimental.
Tetapi fisikawan yang bekerja pada pendekatan yang berbeda jarang berkomunikasi satu sama lain, dan jika mereka berkomunikasi, mereka tidak pernah setuju. Dan mengapa? Dengan tidak adanya bukti eksperimental, mereka tidak punya alasan untuk setuju. Akumulasi matematika, puluhan ribu artikel telah dibuat, ratusan konferensi diadakan. Dan tidak ada satu pendekatan pun yang menghasilkan solusi yang jelas. Dan ketika beberapa dekade berlalu tanpa hasil, keraguan semakin membayangi pencarian gravitasi quantum.
Aneh, tetapi di tahun 90-an hampir tidak ada yang mencoba menemukan bukti gravitasi quantum yang dapat diamati; diyakini bahwa ini tidak mungkin. Efek gravitasi kuantum sangat lemah. Fisikawan telah memperkirakan kemungkinan mendeteksi partikel yang diduga gravitasi - graviton - dan menemukan bahwa kemungkinan ini kecil bahkan ketika menggunakan detektor seukuran Jupiter yang mengorbit bintang neutron. [Rothman, T. & Boughn, S., Dapatkah graviton terdeteksi? Yayasan Fisika 36, 1801-1825 (2006)]
Tetapi apakah benar-benar perlu untuk mendeteksi graviton secara langsung untuk menemukan bukti gravitasi kuantum? Pertanyaan ini tidak membiarkan saya pergi. Pada akhir 90-an, saya beralih ke studi fisika. Sebagian besar fisikawan yang bekerja dengan gravitasi kuantum masih percaya bahwa matematika mereka akan membuka jalan menuju kesuksesan. Saya tidak percaya itu. Tapi saya tidak punya pesimisme tentang tidak dapat diaksesnya eksperimental gravitasi kuantum. Sebaliknya, saya dengan hati-hati berharap bahwa bahkan selama hidup saya, kami akan berhasil menunjukkan kuantifikasi gravitasi dalam percobaan.
Kita yang mencari bukti eksperimental gravitasi kuantum dihadapkan dengan masalah penelitian yang unik: kita tidak memiliki teori atau data! Tetapi bahkan tanpa adanya teori gravitasi quantum yang diterima secara umum, kita dapat menyelidiki sifat-sifat dasar yang diharapkan darinya dan ditemukan dalam berbagai teori kandidat.
Sebagai contoh, beberapa teori menunjukkan diskresi ruang-waktu. Dalam hal ini, ia mungkin memiliki cacat, seperti kristal, yang mampu membingungkan cahaya dan mengaburkan gambar quasar yang jauh. Beberapa teori percaya bahwa ruang-waktu adalah semacam basa atau cairan, di mana dalam keadaan hampa sekalipun seseorang dapat menemukan sifat-sifat material, seperti viskositas atau dispersi. Beberapa teori memprediksi pemecahan simetri, dihormati dalam relativitas umum; yang lain percaya bahwa fluktuasi kuantum dalam ruangwaktu dapat mengganggu sistem kuantum yang sensitif. Semua ini bisa dicari.
Anda sudah tahu bahwa kami tidak menemukan apa pun - jika tidak, Anda pasti sudah mendengarnya. Tetapi bahkan kurangnya hasil membantu mengembangkan teori. Kasus-kasus seperti itu mengajarkan kita bahwa beberapa ide - misalnya, bahwa ruang-waktu dapat menjadi kisi periodik - tidak sesuai dengan pengamatan.
Tentu saja, akan jauh lebih baik untuk mendapatkan konfirmasi nyata. Dalam beberapa tahun terakhir, kami dapat menemukan beberapa peluang baru untuk mendekati tujuan. Ambil gelombang gravitasi utama. Fluktuasi kecil ruang-waktu ini di jagat raya mula-mula seharusnya meninggalkan jejak khas pada radiasi relik. Pada tahun 2014, kelompok gabungan BICEP2 mengumumkan pengukuran sidik jari ini, dan meskipun mereka salah, ini tidak berarti bahwa gelombang tidak ada. Hanya untuk menemukan mereka akan membutuhkan lebih banyak usaha. Dan jika kita menemukannya, sifat kuantum mereka akan membantu kita mengembangkan model kita. Lawrence Kraus dari Arizona University dan Frank Wilchek dari MIT berpendapat bahwa mendeteksi gelombang gravitasi primer akan menunjukkan bahwa gravitasi harus dikuantifikasi [Krauss, L. & Wilczek, F., Menggunakan kosmologi untuk menetapkan kuantisasi gravitasi. Ulasan Fisik D 89, 047501 (2014)]. Argumen mereka terlalu disederhanakan, tetapi Vincent Vennin [Martin, J. & Vennin, V. Perselisihan kuantum inflasi kosmik: Bisakah kita menunjukkan bahwa anisotropika cmb berasal dari mekanika-asal? Tinjauan Fisik D 93, 023505 (2016)] dan Eugene Bianchi [Bianchi, E., Hackl, L., & Yokomizo, N. Waktu keterikatan di alam semesta purba. International Journal of Modern Physics D 24, 1544006 (2015)] secara independen terlibat dalam analisis data CMB yang dapat membedakan antara fluktuasi kuantum dan non-kuantum.
Teleskop BICEP2 di Kutub SelatanMasih ada lubang hitam. Fisika lubang hitam adalah salah satu topik utama dalam studi gravitasi kuantum. Untuk waktu yang lama diyakini bahwa efek gravitasi-kuantum akan terlihat hanya lebih dekat ke pusat lubang hitam, tersembunyi di balik cakrawala yang menunjukkan batasnya, dan karenanya tidak dapat diukur dari luar. Namun dalam beberapa tahun terakhir, kepercayaan ini telah terguncang. Misalnya, menurut satu asumsi teoretis, lubang hitam dikelilingi oleh
firewall - permukaan material yang menghancurkan material yang jatuh ke dalamnya. Meskipun saya dan beberapa sarjana lain mempertanyakan argumen ini [Hossenfelder, S. Mengurai kekosongan black hole. Physical Review D 91, 044015 (2015)], itu bukan satu-satunya alasan untuk mengasumsikan bahwa efek gravitasi kuantum dapat muncul di cakrawala.
Dan jika mereka muncul, maka studi tentang lubang hitam dapat mengungkapkan kepada kita informasi tentang gravitasi kuantum. Michael Kavic dari Long Island University menyarankan mencari sistem biner yang terdiri dari bintang neutron yang mengorbit lubang hitam. Bintang neutron memancarkan gelombang radio, dan jika sinar ini mengenai cakrawala lubang hitam, momentum yang diamati akan diubah oleh struktur lubang ini [Estes, J., Kavic, M., Lippert, M., & Simonetti, JH, Cahaya yang bersinar pada gravitasi kuantum dengan pulsar -hitam lubang biner. arXiv: 1607.00018 (2016)]. Pendekatan lain dari Niayesh Afshordi dari Perimeter Institute sedang mempelajari gelombang gravitasi yang diciptakan oleh penggabungan lubang hitam. Efek kuantum dapat terjadi ketika lubang hitam yang baru terbentuk mengambil bentuk akhirnya [Abedi, J., Dykaar, H., & Afshordi, N. Gema dari Abyss: Bukti untuk struktur skala Planck di cakrawala lubang hitam. arXiv: 1612.00266 (2016)].
Tetapi ide yang paling menjanjikan datang dari sudut yang tidak terduga. Jika medan gravitasi dapat dikuantisasi, ia harus memiliki karakteristik kuantum tertentu, seperti superposisi di mana sistem secara bersamaan di berbagai negara.
Mari kita ambil contoh dasar perilaku kuantum: percobaan dengan dua celah. Jika Anda mengarahkan berkas elektron ke layar tempat dua slot dipotong, elektron membentuk pola gelombang tertentu. Untuk penampilannya, setiap elektron harus melewati kedua slot secara bersamaan - ini adalah superposisi jalur. Tetapi elektron memiliki massa, dan itu mempengaruhi medan gravitasi. Jika sebuah elektron berada dalam superposisi kuantum, maka bidangnya juga harus dalam superposisi kuantum. Ini ide yang sangat aneh. Jika hal yang sama terjadi dengan seluruh Bumi, maka sebuah apel yang jatuh dari pohon akan mengalami dua medan gravitasi yang berbeda dan akan jatuh ke dua arah yang berbeda secara bersamaan. Fitur seperti itu tidak sesuai dengan mekanika kuantum dan relativitas umum; superposisi bidang harus melekat dalam gravitasi kuantum.
Sejauh ini, belum ada yang mengamati efek seperti itu, karena medan gravitasi satu elektron terlalu lemah untuk diukur. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa kelompok eksperimen telah menciptakan superposisi untuk objek yang jauh lebih masif. Ilmu pengetahuan mutakhir saat ini bekerja dengan massa dalam nanogram. Marcus Aspelmeyer dan kelompoknya di Wina memulai proyek ambisius untuk mengukur daya tarik massa gravitasi 1 miligram [Schmöle, J., Dragosits, M., Hepach, H., & Aspelmeyer, M. Eksperimen mikromekanis bukti-prinsip untuk mengukur gaya gravitasi. massa miligram. Gravitasi Klasik dan Kuantum 33, 125031 (2016)]. Hari tidak jauh lagi ketika kita dapat mengukur medan gravitasi benda-benda kuantum.
Pendekatan serupa sedang digunakan oleh Mauro Paternostro dengan rekan-rekannya dari University of Queens di Belfast untuk menentukan dengan tepat fitur mana yang harus membedakan medan gravitasi terkuantisasi dari yang tidak terkuantisasi [Krisnanda, T., Zuppardo, M., Paternostro, M., Tomasz Paterek, T. Mengungkap non -kelas objek tidak terukur. arXiv: 1607.01140 (2016)]. Pendekatan mereka terkait dengan sifat kuantum khas, keterjeratan, di mana ada korelasi sifat-sifat benda yang berbeda. Bayangkan dua benda berinteraksi melalui gravitasi. Korelasi di antara mereka akan tergantung pada apakah bidang ini dikuantifikasi atau tidak. Secara teori, korelasi dapat diukur dan lapangan dikuantisasi.
Jika kita memiliki kacamata untuk mengamati gelombang gravitasi, penggabungan lubang hitam akan terlihat lebih cerah daripada ledakan supernovaFakta bahwa sains memerlukan konfirmasi eksperimental atas gagasan tidak dapat disebut berita, tetapi mimpi para filsuf kuno yang hanya berpikir dapat mengungkap rahasia alam, sayangnya, hidup di antara para teoretikus yang bekerja pada gravitasi kuantum. Akibatnya, latihan mental, apakah itu rumit, berubah menjadi preferensi estetis atau filosofis ketika memilih prasyarat. Sejumlah besar literatur tentang gravitasi kuantum terlibat dalam penguburan premis-premis ini di bawah pegunungan matematika.
Dua puluh tahun setelah saya pertama kali mendengar tentang gravitasi kuantum, area ini masih didominasi oleh para ilmuwan yang mengandalkan urutan matematis. Tetapi jumlah mereka yang, seperti saya, sedang mempelajari kemungkinan verifikasi eksperimental gravitasi kuantum meningkat. Dan semakin terlihat kegagalan metode matematika, semakin jelas bahwa satu-satunya jalan ke depan adalah mencari bukti eksperimental, terlepas dari kerumitannya. Langkah pertama adalah menunjukkan kuantisasi gravitasi. Dan kemudian Anda dapat memulai seluruh spektrum fenomena gravitasi. Ini adalah bagaimana kita akan mentransfer gravitasi kuantum dari matematika ke fisika.
Dan apa yang telah menjadi fisika bisa menjadi teknik. Tidak seperti banyak kolega saya, saya percaya bahwa memahami kuantisasi gravitasi dapat membantu kita dalam praktik. Teori semacam itu tidak hanya akan meningkatkan pemahaman kita tentang ruang dan waktu, tetapi juga sistem kuantum secara umum. Ini akan jauh. Tetapi kami membutuhkan 2000 tahun untuk beralih dari empat elemen Aristoteles ke empat kekuatan fisika. Jadi perjalanannya akan panjang.