Fizycy Badają Kwantową Naturę Grawitacji Poprzez Splątanie Mas

Kwestia, czy grawitacja, jedyna fundamentalna siła nieujęta w ramach mechaniki kwantowej, posiada naturę kwantową, pozostaje kluczową nierozwiązaną zagadką współczesnej fizyki. Podczas gdy oddziaływania elektromagnetyczne, silne i słabe są spójnie opisywane przez kwantowe teorie pola, grawitacja, zgodnie z Ogólną Teorią Względności Alberta Einsteina opisującą krzywiznę czasoprzestrzeni, podlega prawom klasycznym. Fizycy od ponad stulecia usiłują stworzyć spójną teorię grawitacji kwantowej, a obecne badania koncentrują się na eksperymentach poszukujących śladów zjawisk kwantowych w grawitacji.

Podejście eksperymentalne opiera się na koncepcji sformułowanej przez Richarda Feynmana w styczniu 1957 roku, która bada, czy grawitacja może indukować splątanie kwantowe między dwiema maleńkimi masami. Istnienie takiego splątania silnie sugerowałoby kwantową naturę grawitacji. W nowoczesnych wariantach tego eksperymentu, jeśli dwie obiekty, umieszczone w superpozycji kwantowej dwóch lokalizacji, ulegną splątaniu grawitacyjnemu, jest to traktowane jako dowód, że grawitacja podlega prawom mechaniki kwantowej.

Grupy badawcze pracują nad przeprowadzeniem tego testu w laboratorium, umieszczając ekstremalnie małe masy w głęboko schłodzonych stanach mechaniki kwantowej. Naukowcy w Wiedniu planują schłodzić maleńkie szklane kuleczki, o rozmiarach około 150 nanometrów, za pomocą laserów, aż zaczną zachowywać się jak kwantowe pakiety falowe. Markus Aspelmeyer z Uniwersytetu Wiedeńskiego i Austriackiej Akademii Nauk kierował projektem QLev4G, który osiągnął znaczący postęp, uzyskując kwantowy stan ruchu dla obiektu stałego tej wielkości w temperaturze pokojowej. Inne eksperymenty, bazujące na zasadzie eksperymentu Cavendisha, mierzą oddziaływanie grawitacyjne między bardzo małymi obiektami, przy czym niektóre zespoły celują w obiekty o masie zaledwie kilku mikrogramów.

Eksperymenty te są niezwykle złożone, wymagając wykonania w niemal idealnej próżni, osłoniętej przed wszelkimi zakłóceniami, ponieważ nawet pojedyncza cząsteczka może zdestabilizować delikatne stany kwantowe. Co więcej, rozwój teoretyczny sugeruje, że czysto klasyczna grawitacja może wywołać formę splątania między masami w pewnych warunkach, co komplikuje interpretację wyników. Badania wykazały, że klasyczne pole grawitacyjne sprzężone z materią kwantową może generować splątanie poprzez wymianę wirtualnych cząstek materii, co oznacza, że obserwacja splątania nie musi być jednoznacznym dowodem na kwantowość samej grawitacji.

Postęp teoretyczny jest kontynuowany, z grupami takimi jak nowa Emmy Noether Junior Research Group na Uniwersytecie w Hamburgu, pracującymi nad obliczaniem efektów silnego sprzężenia w teorii strun i grawitacji kwantowej. Grupa ta, prowadzona przez Dr. Maxa Wiesnera, koncentruje się na zagadnieniach, które mogą dostarczyć wglądu w zjawiska takie jak ciemna energia. Program Emmy Noether, nazwany na cześć Emmy Noether (1882–1935), umożliwia wcześnie karierę badaczom prowadzenie niezależnych grup badawczych przez 6 lat, finansowanych przez Niemieckie Towarzystwo Badań (DFG).

Zjednoczenie Ogólnej Teorii Względności z mechaniką kwantową pozostaje nadrzędnym celem dla osiągnięcia kompleksowego zrozumienia fundamentalnych sił wszechświata, co jest przedmiotem intensywnych globalnych badań w 2026 roku. Warto zauważyć, że naukowcy z TU Wien i Austriackiej Akademii Nauk przeprowadzili lot paraboliczny we współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną, testując stabilność splątanych fotonów w zmiennych polach grawitacyjnych. Wyniki te potwierdziły, że przyspieszenia między 0 g a 1.8 g nie wpływają na splątanie polaryzacyjne fotonów, stanowiąc ważny punkt odniesienia dla przyszłych eksperymentów kosmicznych.