W większości eksperymentów fizycy w ogóle nie muszą uwzględniać jej w obliczeniach, by jednak trafnie przewidywać zachowanie elektronów, protonów, neutronów i innych znanych cząstek, z których składa się materia, mierząc i wyliczając inne oddziaływania między nimi – elektromagnetyczne, słabe i silne. Nauka o maleńkich cząstkach – mechanika kwantowa – jest bardzo dobrze dopracowana i umożliwia działanie komputerów, telefonów komórkowych i wielu innych codziennych udogodnień.

Na drugim biegunie są kosmiczne odległości i kosmiczne masy – gwiazdy, planety, czarne dziury. Tam grawitacja niepodzielnie rządzi. Żadne inne oddziaływanie nie jest w tej skali tak znaczące. Grawitacja jest tak potężna, że zgodnie z ogólną teorią względności Einsteina może nawet wpływać na bieg czasu. Szybciej płynie on w oddaleniu od masywnego (czyli wytwarzającego pole grawitacyjne) obiektu, niż w jego pobliżu. Opisując to zjawisko fizycy używają paradoksu bliźniąt. Mówi on, że gdyby jeden z bliźniaków zamieszkał wysoko nad powierzchnią Ziemi, starzałby się szybciej niż jego identyczny brat, pozostający na dole. Wiele obserwacji potwierdza trafność ogólnej teorii względności i można z niej korzystać np. przy badaniach astronomicznych.

Obie teorie są powszechnie uznawane za poprawne. Dlatego naukowcy od kilku dekad próbują połączyć je w jedną. Na razie bezskutecznie. Część fizyków jest przekonana, że nie da się tego zrobić, dopóki nie przeprowadzimy doświadczeń na obiektach tak małych, że będą podlegać prawom kwantowym, a jednocześnie tak masywnych, że będą powodować znaczące efekty grawitacyjne przewidziane przez ogólną teorię względności.

Grupa doktorantów z Uniwersytetu Wiedeńskiego, kierowana przez prof. Caslava Bruknera, jest przekonana, że znalazła sposób, by sprawdzić oddziaływanie grawitacji na atomy. Propozycję eksperymentu opisali w artykule, opublikowanym w czasopiśmie „Nature Communications”. Według nich, można sprawdzić, czy czas dla atomu znajdującego się dalej od powierzchni Ziemi biegnie inaczej niż dla tego samego atomu, będącego bliżej. Byłby to eksperyment analogiczny do paradoksu bliźniąt. Przy czym, ponieważ w grę wchodzi tylko jeden obiekt, nazywają go paradoksem kwantowego jedynaka.

Jak wyjaśnia PAP pierwsza autorka publikacji, absolwentka Międzywydziałowych Studiów Matematyczno Przyrodniczych Uniwersytetu Łódzkiego Magdalena Zych, aby przeprowadzić takie doświadczenie, nie potrzeba wiele – wystarczy urządzenie do pomiaru interferencji i atom, znajdujący się jednocześnie w dwóch miejscach.

Z jednym i z drugim, według Zych, nie powinno być już wkrótce problemu. Odpowiednie urządzenie pomiarowe może być w niedalekiej przyszłości zbudowane.

„Aby zaobserwować zaproponowany przez nas efekt, potrzebowalibyśmy interferometru kilkumetrowej długości, w którym cząstka podróżowałaby przez około sekundę. Tak duży interferometr nie był do tej pory jeszcze użyty, więc potrzeba będzie być może nawet kilku lat, zanim odpowiedni sprzęt zostanie zbudowany. Z drugiej strony chcę podkreślić, że nasz artykuł pokazuje zupełnie nowy sposób wykorzystania interferometru do testowania efektów ogólnej teorii względności w połączeniu z kwantowymi. Stąd fakt, że wymagany przez nas układ nie był jeszcze zrealizowany, jest zupełnie naturalny” - podkreśliła naukowiec.

Z atomem będącym w dwóch miejscach równocześnie sprawa powinna być jeszcze prostsza.

„Chcemy wykorzystać znaną z mechaniki kwantowej sytuację, w której kwantowy obiekt nie ma tak dla nas oczywistej własności, jak określone położenie w przestrzeni. Fizycy nazywają stan takiego obiektu superpozycją. W eksperymentach z cząstkami w superpozycji obserwuje się zjawiska typowe dla fal, takie jak interferencja. Jednakże, gdy zmierzymy położenie cząstki, a nawet, gdy pomiar taki jest tylko w ogóle możliwy, interferencja i wszelkie falowe zjawiska znikają. Innymi słowy: nie jest możliwe, by jednocześnie znać położenie cząstki i obserwować zjawisko interferencji. To przykład fundamentalnej w mechanice kwantowej zasady komplementarności” - tłumaczy doktorantka.

W eksperymencie miałby zostać wykorzystany atom, będący w superpozycji – jednocześnie bliżej i dalej od Ziemi – i który periodycznie oscyluje w czasie między dwoma stanami energetycznymi. Właśnie stan energetyczny atomu byłby w tym doświadczeniu „zegarem”.

Zgodnie z ogólną teorią względności, znajdujący się bliżej powierzchni (czyli podlegający silniejszej grawitacji) atom będzie wolniej ewoluował w czasie, a znajdujący się dalej od Ziemi – szybciej. Tempo oscylacji między stanami energetycznymi atomu będzie więc tempem ruchu wskazówek „zegara”, a zatem stan energetyczny będzie niósł informację o położeniu atomu. A wtedy, zgodnie z mechaniką kwantową, superpozycja zniknie, a wraz z nią interferencja. Fakt niezaobserwowania interferencji będzie dowodem na to, że grawitacja opisana teorią Einsteina działa w zauważalny sposób na pojedyncze atomy.

Proponując kolegom eksperymentatorom nowe doświadczenie, fizycy teoretycy działają we własnym interesie.

„Fizycy zdają sobie sprawę, że zupełnie nowa teoria jest potrzebna do zunifikowania mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności w ramach jednej spójnej teorii opisującej świat. Trudność pojawia się jednak już na poziomie czysto teoretycznym. Metody kwantowania innych oddziaływań zupełnie nie stosują się do oddziaływania grawitacyjnego. Pojawia się więc wiele matematycznych teorii kwantowej grawitacji, ale do tej pory żadna z nich nie jest do końca satysfakcjonująca” - tłumaczy Zych.

„Wiemy, że nowa fizyka musi się pojawić, ale jak może wyglądać - jedynie eksperyment jest w stanie dać teoretykom wskazówki” - dodaje.

Dopóki doświadczenie nie zostanie przeprowadzone, nic nie jest przesądzone.

Jak wyjaśnia Zych, autorzy artykułu przewidują co prawda konkretny wynik eksperymentu (zgodny zarówno z mechaniką kwantową, jak i ogólną teorią względności), ale potwierdzenie można uzyskać dopiero w praktyce. Nie wykluczają więc, że stanie się coś nieprzewidzianego.

„Utrata widoczności interferencji może być całkowita lub częściowa – jest tym większa, im bardziej różnią się od siebie stany wskazówki +zegara+, który podróżował wyżej nad Ziemią względem stanu wskazówki +zegara+, który podróżował niżej. Jeśli zmierzona widoczność interferencji byłaby zawsze mniejsza niż przewidziana, byłoby to spójne z pewnymi nowymi teoriami, które przewidują, iż czas powinien być skwantowany, tak jak inne cechy cząstki – np. położenie czy energia. Oznacza to, że musielibyśmy zmienić nasze rozumienie czasu w mechanice kwantowej, która obecnie traktuje czas jedynie jako parametr, a nie jako cechę kwantową” - wyjaśnia Zych.

Jeszcze większy kłopot będą mieli naukowcy, jeśli aparatura pokaże większą widoczność interferencji, niż przewidywana. Oznaczałoby to, że w realnym świecie zjawiska opisywane przez ogólną teorię względności nie mają wpływu na zjawiska, o których mówi mechanika kwantowa. Nie oznaczałoby to, że któraś z tych teorii jest fałszywa, ale pokazałoby, że obie są niepełne, czyli że opisują one dwa różne wycinki rzeczywistości, i że nie da się ich połączyć bez znaczących modyfikacji. Wtedy fizykom będzie potrzebne zupełnie nowe – szersze spojrzenie.

PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka

ula/ agt/bsz