Neue Arbeit enthüllt das „Wie viel“ der Schwerkraft

Die Schwerkraft ist Teil unseres täglichen Lebens. Allerdings bleibt die Schwerkraft ein Rätsel: Bis heute verstehen wir nicht, ob ihre eigentliche Natur geometrisch ist, wie Einstein sie sich vorgestellt hat, oder ob sie den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegt.

Bisher beruhten alle experimentellen Vorschläge zur Beantwortung dieser Frage auf der Schaffung des Quantenphänomens der Verschränkung zwischen schweren und makroskopischen Massen. Aber je schwerer ein Objekt ist, desto mehr neigt es dazu, seine Quanteneigenschaften zu verlieren und „klassisch“ zu werden, was es sehr schwierig macht, eine schwere Masse dazu zu bringen, sich wie ein Quantenteilchen zu verhalten.

in einer Studie veröffentlicht In Körperliche Überprüfung Diese Woche schlagen Forscher aus Amsterdam und Ulm ein Experiment vor, das diese Probleme umgeht.

Klassisch oder Quanten?

Die erfolgreiche Kombination von Quantenmechanik und Gravitationsphysik ist eine der großen Herausforderungen der modernen Wissenschaft. Generell wird der Fortschritt auf diesem Gebiet dadurch behindert, dass wir noch keine Experimente in Systemen durchführen können, in denen Quanten- und Gravitationseffekte relevant sind.

Und auf einer grundlegenderen Ebene wissen wir, wie Nobelpreisträger Roger Penrose einmal sagte, nicht einmal, ob eine kombinierte Theorie von Schwerkraft und Quantenmechanik eine „Quantisierung der Schwerkraft“ oder eine „Quantengravitation“ erfordern würde.

Mit anderen Worten: Ist die Schwerkraft im Wesentlichen eine Quantenkraft, deren Eigenschaften auf kleinsten Skalen bestimmt werden, oder handelt es sich um eine „klassische“ Kraft, deren großräumige geometrische Beschreibung ausreicht? Oder ist es schon etwas anderes?

Es schien immer, dass die Quantenverschränkung eine zentrale Rolle bei der Beantwortung dieser Fragen spielen würde. يقول لودوفيكو لامي، عالم الفيزياء الرياضية في جامعة أمستردام وشركة QuSoft: „السؤال المركزي، الذي طرحه ريتشارد فاينمان في البداية في عام 1957، هو فهم ما إذا كان مجال الجاذبية لجسم ضخم يمكن أن يدخل في ما يسمى بالتراكب الكمي، حيث سيكون في عدة ولايات Gleichzeitig.

„Vor unserer Arbeit bestand die Hauptidee zur experimentellen Lösung dieser Frage darin, nach einer gravitativ induzierten Verschränkung zu suchen – der Art und Weise, wie entfernte, aber verbundene Massen Quanteninformationen austauschen können. Die Existenz einer solchen Verschränkung würde die Hypothese widerlegen, dass das Gravitationsfeld rein lokal ist und klassisch.“

Unterschiedlicher Winkel

Das Hauptproblem bei früheren Vorschlägen besteht darin, dass die Schaffung entfernter, aber verwandter massiver Objekte – sogenannte nicht lokalisierte Zustände – eine große Herausforderung darstellt. Das schwerste Objekt, bei dem bisher eine Quantendelokalisierung beobachtet wurde, ist ein großes Teilchen, viel leichter als die kleinste Quellmasse, deren Gravitationsfeld nachgewiesen wurde, die knapp 100 mg beträgt und damit mehr als eine Milliarde Milliarden Mal schwerer ist. Dies machte jede Hoffnung auf experimentelle Untersuchungen für Jahrzehnte zunichte.

In der neuen Arbeit bieten Lammy und Kollegen aus Amsterdam und Ulm – interessanterweise dem Geburtsort Einsteins – einen möglichen Ausweg aus dieser Sackgasse. Sie schlagen ein Experiment vor, das das Quantum der Schwerkraft aufdecken würde, ohne eine Verschränkung zu erzeugen.

„Wir haben eine Klasse von Experimenten entworfen und untersucht, die ein System massiver ‚harmonischer Oszillatoren‘ beinhalten – zum Beispiel ein Torsionspendel, wie es Cavendish in seinem berühmten Experiment von 1797 zur Messung der Stärke der Gravitationskraft verwendete“, erklärt Lamy „Er setzte mathematisch strenge Grenzen für die Signale eines bestimmten Quantitätsempirismus, den die lokale klassische Schwerkraft nicht überwinden sollte.“

„Wir haben die experimentellen Anforderungen, die zur Umsetzung unseres Vorschlags in einem tatsächlichen Experiment erforderlich sind, sorgfältig analysiert und festgestellt, dass solche Experimente zwar bald in greifbare Nähe gerückt sein könnten, obwohl ein gewisses Maß an technologischem Fortschritt erforderlich wäre.“

Ein Schatten von Gewirr

Überraschenderweise benötigen Forscher zur Analyse des Experiments immer noch den mathematischen Mechanismus der Verschränkungstheorie in der Quanteninformationswissenschaft. wie ist das möglich? Laut Lamy „liegt der Grund darin, dass die Verschränkung zwar physikalisch nicht existiert, sie aber dennoch im Geiste, im streng mathematischen Sinne, existiert. Es reicht aus, dass die Verschränkung erzeugt wurde.“

Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit nur der Anfang ist und dass ihr Vorschlag dazu beitragen wird, Experimente zu entwerfen, die die grundlegende Frage nach dem Quantum der Schwerkraft viel früher als erwartet beantworten können.