0. Wstęp.
Detekcja grawitonu?
A na jakiej planecie pan żyje? Bo jeśli na Jowiszu, to podobno możecie się postarać, ale jeśli na Księżycu, to lepiej niech pan tam zostanie bo na Ziemi takich wariatów nie chcemy.
Dlaczego na Jowiszu? Kiedyś pisało się i mówiło, że aby wykryć grawiton, trzeba by użyć detektora rozmiaru Jowisza. A takiego póki co nie mamy. Opiszę pokrótce, jak napisała się nowa wspaniała historia, może jeszcze nie wykrycia grawitonu, ale jakiejś próby realnego podejścia do tematu. Bardziej realnej, niż ta z Jowiszem.
Może mój blog zmartwychwstanie? :) Zrobimy Diesphys Reload, @diesphys Reaktywacja ;)
1. Detekcja grawitonu - a co to takiego? Ten cały grawiton.
Jest to hipotetyczna cząstka, która ma rzekomo przenosić siłę grawitacji. Tak zwany kwant grawitacji - na razie jeszcze hipotetyczny. Detekcja tegoż to ostateczny cel fizyki doświadczalnej. Konwencjonalna wiedza mówi natomiast, że taki eksperyment nie może zostać przeprowadzony. Według jeszcze innych pogłosek, musiałby dokonać tego detektor rozmiaru Ziemi orbitujący wokół Słońca a ten mógłby wykryć jeden grawiton na miliard lat. No dobra, zapytacie, a co z tym Jowiszem, bo tu już pozamiatane jak widać? Detektor rozmiaru Jowisza musiałby poruszać się wokół gwiazdy neutronowej, aby było ich trochę więcej, tych grawitonów. Echhh, człowiek chce dobrze, a tu...
Ale jest nowa propozycja, która obala standardowe myślenie. Połączenie nowoczesnego rozumienia zmarszczek na czasoprzestrzeni, znanego jako fale grawitacyjne, z osiągnięciami technologii kwantowej - na taki pomysł wpadła grupa naukowców. Grupa ta mówi jednak, że byłoby to zdarzenie kwantowe nie tak ściśle powiązane z grawitonem. Nadal to zadanie dla greckiego herosa, ale już osiągalne dla tej grupy naukowców w czasie, gdy jeszcze będą żyć, w laboratorium, które można zbudować. Jednym z nich jest Matteo Fadel z ETH w Zurichu. Taki przykład, że nie jest to jakaś grupa incognito.
Obecnie, ogólna teoria względności przypisuje grawitacji rolę delikatnych wybrzuszeń na tkance czasoprzestrzeni. Ale wykrycie grawitonu oznaczałoby, że grawitacja jest również siłą składająca się z kwantów, cząstek, tak jak elektromagnetyzm i inne siły fundamentalne. Większość fizyków uważa, że grawitacja ma właściwości, a raczej swoją stronę kwantową. Wykrycie grawitonu oznaczałoby spełnienie marzeń niejednego fizyka, który poświęcił życie na pracę nad kwantową grawitacją. Tak długo już jest poszukiwana owa kwantowa grawitacja.
Pomimo, iż eksperyment jest relatywnie prosty, to już interpretacja - czego detekcja mogłaby dowieść - już nie. Najprostsze wyjaśnienie wyniku pozytywnego oznaczałoby istnienie grawitonu. Ale fizycy już znaleźli takie drogi, do udowodnienia istnienia grawitonu, bez odnoszenia się do niego. Dyskusja dziś przypomina tę z początków wieku XX, kiedy debatowano nad kwantami po raz pierwszy. W 1905 roku Einstein zinterpretował dane eksperymentalne i odkrył, że światło jest 'skwantowane', i przemieszcza się przy pomocy dyskretnych cząstek, które dziś nazywamy fotonami. Inni, tacy jak Niels Bohr i Max Planck uważali, że można ocalić jeszcze klasyczną, falową teorię natury światła. Zajęło siedem dekad ku temu, aby naukowcy stwierdzili, że światło jest skwantowane, w głównej mierze ze względu na subtelną naturę kwantów jako takich.
2. Kwanty, Kwanty. Znowu?! ;)
Większość fizyków uważa, że wszystko w świecie jest skwantowane, włączając w to grawitację. Ale dowiedzenie tego założenia rozpętałoby nową wojnę, a przecież inna dopiero się zaczęła. Jak śpiewał Kazik Staszewski: ‘Kiedy ucichną działa już, wtedy się inne odezwą’.
Jest bardzo trudno próbkować grawitację eksperymentalnie, ponieważ jest bardzo słaba. Potrzeba olbrzymich mas - takich jak planety - aby znacząco odkształcić czasoprzestrzeń i wywołać jednoznaczne przyciąganie grawitacyjne. W porównaniu, magnes rozmiaru karty kredytowej przylgnie od razu do lodówki. Tak działa elektromagnetyzm, który, jak widać, jest o niebo silniejszy.
Jednym ze sposobów, aby badać te siły, jest zakłócenie obiektu, a wtedy można obserwować zmarszczki, które rozchodzą się w konsekwencji takiego zaburzenia. Gdy zakłócamy masywny obiekt, pojawiają się zmarszczki, ale czasoprzestrzeni. Emituje on wtedy fale grawitacyjne. Fale świetlne dostrzegamy gołym okiem, ale fale grawitacyjne to zupełnie inna historia. Zajęło dekady, aby zbudować olbrzymie detektory, długie na kilometry, aby stworzyć coś takiego jak LIGO (Laser Interferometr Gravitational-Wave Observatory), detektor na bazie interferometru Michelsona. Wykryto, wkrótce po zbudowaniu, pierwsze zakłócenie czasoprzestrzeni spowodowane zderzeniem dwóch czarnych dziur, w roku 2015. Einstein przewidział istnienie fal grawitacyjnych już sto lat wcześniej, no ale Einstein to Einstein, jemu wolno być tak genialnym ;)
Detekcja pojedynczego grawitonu byłaby o wile trudniejsza, coś jak wykrycie jednej molekuły wody w oceanie. W roku 2012 Freeman Dyson rozważył fale grawitacyjne pochodzące od Słońca, skoro dochodzi do nagłych i brutalnych poruszeń materii wewnątrz gwiazdy; powinny być widoczne, a raczej wykrywalne, fale grawitacyjne. Wydawało się, że jeden grawiton mógłby wystrzelić jeden elektron na wyższy poziom energetyczny, lecz Dyson wyliczył, że takich kliknięć byłoby 4 dla detektora tak dużego jak Ziemia, poruszającego się przez 5 miliardów lat wokół Słońca.
Po kilkunastu latach udało się złagodzić przewidywania Dysona. Najpierw, LIGO wykrywało regularnie fale grawitacyjne ze zderzeń odległych czarnych dziur, a okazyjnie także gwiazd neutronowych. Te zdarzenia wstrząsają czasoprzestrzenią o wiele mocniej niż poruszenia materii w Słońcu, dlatego zaświeciła się lampka o możliwości wykrycia grawitonu, w kontrze do czarnowidztwa Dysona. Po drugie, okazało się, że mamy całkiem sporo do powiedzenia, jeśli chodzi o nowe i liczne pomiary kwantowe i ich różnorakie wariacje, często bardzo pomysłowe.
3. Pojawiają się Ruscy z piwem i sprawa rozwiązana!
Igor Pivkovski (nieodłącznie kojarzy mi się z radzieckim naukowcem i z piwem), fizyk teoretyk z Politechniki w New Jersey, długo zastawiał się nad tymi osiągnięciami technologicznymi, właściwie już od roku 2016. On i jego koledzy odkryli już, że kadź z nadciekłym helem - ciecz, która przez swego rodzaju odbicia w odpowiedzi na pewnego typu fale grawitacyjne.
Należałoby rozpocząć od skoku z pomysłu zbudowania detektora fal grawitacyjnych do detektora grawitonów. A jak to możliwe?
Oto nowy świąteczny przepis:
Bierzesz 15 kilogramowy pręt berylowy (lub z podobnego materiału) i ochładzasz go do temperatury bliskiej zera bezwzględnego, najniższej możliwej do uzyskania w świecie fizycznym. Wypluty z całej energii cieplnej, pręt postanie w swoim stanie 'uziemienia' - swoim stanie o najniższej możliwej dla siebie energii. Wszystkie jego atomy zaczną zachowywać się wspólnie jak jeden system kwantowy, tak jak jeden duży atom, a raczej podobnie do niego.
Następnie czekasz dopóki fale grawitacyjne z głębokiej przestrzeni będą przelatywać obok. Szanse na jeden grawiton wejdzie w interakcje z berylem są niskie, ale fala będzie zawierać ich tak dużo, że ogólne szanse na interakcję, choćby jedną, są duże. Grupa naszych badaczy oszacowała, że jedna na trzy fale grawitacyjne odpowiedniego rodzaju (najlepsze są zderzenia gwiazd neutronowych, bo trwają dłużej niż zespolenia czarnych dziur) powinna pobudzić pręt jedną jednostką kwantową energii. Jeśli twój pręt odbije fale wspólne z tymi wykrytymi przez LIGO, będziecie świadkami koncertu a raczej kwantowego zdarzenia wywołanego przez grawitację.
Pośród wielu przeszkód inżynieryjnych związanych z otwarciem takiego okna, najtrudniejsze będzie umieszczenie ciężkiego obiektu w jego stanie zerowym i wykrycie, gdy przeskoczy on z tego stanu do swojego następnego stanu energetycznego. Jedna z grup w Zurychu, która przoduje w badaniach nad takimi urządzeniami ochłodziła małe kryształki szafiru do momentu, gdy zaczęły przejawiać właściwości kwantowe. W 2023 roku udało się wprowadzić te kryształy w dwa stany jednocześnie czyli w superpozycję - kolejną z oznak własności kwantowych. Jego masa wynosiła 16 milionowych grama - to ciężki okaz jak na obiekt kwantowy, ale wciąż pół miliarda razy lżejszy, niż wymagałby tego pręt Pivkovskiego. Pomimo tego, Fadel uważa to za osiągalne. Mówi, że nie byłoby to nawet za bardzo szalone jak na fizykę kwantową. Zbyt szalone jak na fizykę kwantową byłoby chyba tylko przywrócenie do życia tego bloga… ;)
Eksperyment Pivkovskiego - podobnie jak Dysona - emuluje ten sam eksperyment, który skłonił w 1905 roku Einsteina do stwierdzenia, że światło jest skwantowane. Frank Wilczek mówi: 'byłby to milowy krok, jeśliby udało si sprowadzić grawitony do poziomu fotonów z 1905 roku'.
Podręczniki często przypisują pracy Einsteina odkrycie fotonu. Ale prawdziwa historia jest o wiele bardziej interesująca. A tamtym czasie (1905 rok) wielu fizyków odrzucało prace Einsteina. Niektórzy nie zgadzali się z nim przez następne 20 lat. W ich opinii, eksperyment nie przedstawiał jednoznacznego dowodu. Był on raczej pierwszym argumentem w długiej na dekady wojnie o sformułowanie prawdziwej natury światła.
4. Teraz będę pisał o fotonie. A wy możecie grać w grę, ale wolałbym, byście czytali @diesphys ;)
A, tak. Fizycy dostrzegli rysę na swoim klasycznym rozumieniu rzeczywistości w ostatnich latach wieku XIX. J.J. Thomson odkrył, że prądy elektryczne rozchodzą się dyskretnych porcjach ładunku, które nazwano elektronami. W międzyczasie, również fizycy, bo przecież nie nauczyciele wychowania przedszkolnego, byli zadziwieni szeregiem eksperymentów dokonanych przez Heinricha Hertza i innych, które pokazywały, że światło można wykorzystać do wytwarzania przepływu prądu elektrycznego. Był to tak zwany efekt fotoelektryczny.
Zagadka polegała na tym, że kiedy skierowano bezpośrednie promienie światła na metalową płytkę, czasem prąd elektryczny płynął przez nią, a czasem nie. W świecie przed-kwantowym było to zjawisko trudne do wyjaśniania. Wierzono, że każda fala powinna wywołać przynajmniej mały przepływ prądu, a jaśniejsze światło powinno wytwarzać większe prądy. Dla odmiany, odkryto, że określony kolor światła - częstotliwość - powoduje, że prąd przepływa. Tylko światło o pewnej częstotliwości lub większej mogły wywoływać pojawienie się przepływu elektronów. Jasność światła miała niewiele wspólnego z przepływem prądu.
W 1905 roku Einstein zaproponował rozwianie: fala światła jest złożona z wielu dyskretnych jednostek, nazywanych kwantami, każdy z energią powiązaną z częstotliwością fali. Im wyższa częstotliwość fali światła, tym bardziej energetyczne kwanty. Oraz - im jaśniejsze światło - tym więcej pojawiało się owych kwantów. Kolejny przepis świąteczny: Jeśli spróbujesz wywołać prąd za pomocą czerwonego światła o niskiej częstotliwości, żadna ilość nie wystarczy do pojawienia się efektu fotoelektrycznego. Ale światło niebieskie o wysokiej częstotliwości (bo przecież elektrony to niebieskie kulki, więc pasuje ;)) wywołuje całą masę elektronów. Każda z tych jednostek światła niebieskiego o wysokiej częstotliwości ma wystarczająco dużo energii do wzbudzenia elektronu, nawet w bladym świetle i z małą ilością fotonów.
Teoria Einsteina wywołała falę sceptycyzmu. Fizycy jak lwy bronili 40 letniej teorii Clerka Maxwella, mówiącej, że światło to fala elektromagnetyczna. Widziano światło które zachowywało się jak fala - ulegało refrakcji, dyfrakcji i wszystkiemu innemu, co dotyczyło fal. Jak mogło więc składać się z cząstek?
Nawet po zdobyciu przez Einsteina Nagrody Nobla w 1921 za efekt fotoelektryczny, fizycy nadal debatowali. Efekt wskazywał, że coś jest skwantowane - inaczej nie istniałby minimalny próg wymagany do przepływu elektronów. Ale niektórzy, tacy jak Niels Bohr, który uważany jest za twórcę teorii kwantów, twierdzili, że tylko materia jest skwantowana, nie światło. Dziś tego typu teorie nazywane są 'pół-klasycznymi', ponieważ opisują klasyczne pola wchodzące w interakcję ze skwantowana materią.
Aby zobaczyć, jak teoria semiklasyczna może wyjaśnić efekt fotoelektryczny, wyobraźcie sobie dziecko na huśtawce. Jest jak elektron w metalu. Mają stan zerowy (gdy się nie huśta) i stan wzbudzony (huśtanie się). Klasyczna fala jest jak popchnięcia dziecka na huśtawce. Albo od razu, weźmy działo fotonowe i wzbudźmy je porządnie ;) Jeśli popchnięcia mają miejsce w losowych momentach, z losowa częstotliwością, nic się nie dzieje. Dziecko może trochę się pobujać, ale ogólnie rzecz biorąc będzie znajdować się w stanie uziemienia. Tylko w przypadku popchnięć z odpowiednią częstotliwością - częstotliwością 'rezonującą' huśtawki - dziecko nabierze odpowiedniej energii i rozpoczyna się huśtać. (elektrony w płytce metalowej zachowują się trochę inaczej; rezonują z całym ciągłym pasmem częstotliwości, zamiast jednego. Ale efekt końcowy jest taki sam: żadna fala poniżej tej częstotliwości nie robi nic elektronom, podczas gdy każdą fala w tej częstotliwości wzbudza elektrony i powoduje przepływ prądu.)
Einstein ostatecznie się wybronił, ale nie jedynie za pomocą efektu fotoelektrycznego. Późniejsze eksperymenty polegające na zderzaniu elektronów i fotonów jak pociski wykazały, że pęd również jest skwantowany, występuje w porcjach. To badanie ostatecznie dowiodło, że pół-klasyczna teoria materii i światła Bohra i jego kompanów została obalona. w 1925 roku, po obejrzeniu danych, Bohr zgodził się i powiedział, że jego teorii należy się honorowy pogrzeb. Świat fizyczny powitał światło w roli kwantowej. Kwanty światła nazwano fotonami. Nawiasem mówiąc, kompania Bohra była dość wesoła, był znany z imprez w swojej duńskiej posiadłości, gdzie duński rząd rękami Carlsberga ufundował mu browar. Przesiadywali tam i gadali. I tak powstała teoria kwantów. Żartuję, ale z tym browarem to prawdziwa historia :)
Niewielu fizyków nie zgadzało się z teorią kwantową fotonu po 1925 roku, ale wiadomo, znajdą się zawsze gorliwcy. Uznano, że nawet jeśli nikt nie wymyślił teorii semiklasycznej nie oznaczało to, że takowa nie istnieje. Ostateczny dowód na to, że fotony są realne przyszedł w późnych latach 70 XIX wieku, kiedy badacze optyki kwantowej pokazali, że światło dotarło do detektora w sposób, na jaki nie pozwoliłaby żadna teoria pół-klasyczna. Eksperymenty pokazały, że foton wystrzeliwany z działa fotonowego (a jednak ono istnieje, a już było zabawnie... te wszystkie biedne huśtające się dzieci...) raz na sekundę powodował klikniecie detektora raz na sekundę w odpowiedzi. Zakończony wojny fotonowe.
Wave interaction - interakcja falowa
E - Natężenie pola elektrycznego
H - Natężenie pola magnetycznego
k - wektor propagacji (rozchodzenia się) fali
s - wektor spinowy
(lambda) - długość fali
H - skrętność
c - prędkość światła
LCP - polaryzacja kołowa lewoskrętna
RCP - polaryzacja kołowa prawoskrętna
(jak widzimy, długość i częstotliwość fali dla grawitonu to nic innego jak połączenie lewo- i prawoskrętnej polaryzacji kołowej fotonu!)
5. Wojny grawitonowe? Znowu, kolejne wojny? Nieeee!
W sierpniu 2023 Daniel Carney i jego współpracownicy wystrzelili pierwszy strzał w nowej wojnie. I masz, nowe działa, tym razem grawitonowe, odezwały się.
Nicholas Rodd, współpracownik Carneya, miał pogląd podobny do Pivkovskiego o nowym sposobie na zbudowanie detektora grawitonów. Panowie się napalili, wiele więcej nie było im trzeba. W Lawrence Berkeley National Laboratory rozpoczął się nowy rozdział wojny grawitonowej.
Napotkali w literaturze pokręcona historię fotonu i poziomu zaangażowania optyków kwantowych w latach 70 XIX, a raczej do czego musiało dojść, by potwierdzić kwantową nature światła. Przetransformowano te pytania i odpowiedzi na kontekst grawitacyjny i okazało się, że Dyson miał rację. Naprawdę potrzebny był detektor rozmiaru planety, aby dowieść kwantowości grawitacji na zasadzie wykrycia pojedynczego grawitonu, a to według wyliczeń Pivkovskiego.
Jakże szybko musieliśmy zweryfikować swoje poglądy - powiedział Carney.
Grawiton, grawiton. Jego poszukiwacze znajdują się obecnie w szczególnej pozycji. Każdy dziś zgadza się co do głównych faktów. Po pierwsze - wykrycie pojedynczego grawitonu z fali grawitacyjnej jest, o dziwo, możliwe. Ale po drugie, stwierdzenie, że fala grawitacyjna jest skwantowana, wcale nie jest tak pewne, nawet w obliczu możliwości detekcji. 'Czy można sprawić, by klasyczna fala grawitacyjna dawała ten sam sygnał? Odpowiedź brzmi tak', mówi Carney.
Ale o tym, jak wiele dowiedziano by się z tego doświadczenia, mówi się różnie. Dla niektórych byłby to silny dowód na to, że grawitacja jest siłą kwantową ponieważ alternatywa - pół-klasyczna teoria grawitacji i materii - zostałaby w pewnym stopniu obalona. Takie teorie naruszają zasadę zachowania energii, na przykład. Jeśli pręt berylowy zyskuje jeden kwant energii, wtedy zasada zachowania energii wymaga, aby fala grawitacyjna oddała jeden kwant energii - a wtedy sama musi być kwantowa. (Einstein wskazał taki dowód dla fotonu w roku 1911). Semiklasyczne teorie ocalają klasyczność grawitacji kosztem poświęcenia zasady zachowania energii! Niektórzy fizycy może są szaleni, ale nie na tyle, by poświęcać główny filar, na którym opiera się ich dziedzina wiedzy :)
'O ile nie użyjemy bardzo sztucznych interpretacji' - mówi Wilczek, 'musi się okazać, że powinno się zastosować mechanikę kwantową do fali grawitacyjnej'.
'Jeśli chciałbym zobaczyć ślady kwantowości, nie leży w moim interesie wykluczenie patologicznych teorii w pierwszej kolejności'. - mówi Pivkovski.
Dla fizyków takich jak Carney, jednoznaczny dowodów na to, że grawitacja musi być kwantowa nie jest tak oczywisty. 'Mamy wiele dowodów na to, że cała rzeczywistość jest skwantowana. Potrzebujemy potwierdzenia, a w zasadzie eksperymentów zamykających inne zamknięte pętle teoretyczne, czyli inne, błędne teorie, nieważne, jak dziwne mogłyby się one wydawać.'
‘Istnieje taka presja, aby myśleć, że wszystko musi być kwantowe, że powinno się zatrudnić prawnika’ - mówi Carney. Prawnik, najlepiej rozmiarów Jowisza. Bo tak wielki musiałby być detektor :)
5. Punkt początkowy. Początek... wojny. Nieee!
Pomimo tego, że teoria Pivkovskiego nie jest dowodem na to, że zakończono pewien ślepy zaułek, wielu fizyków chciałoby, aby przeprowadzono jego doświadczenie. Byłby to początek ery eksperymentalnej dla kwantowej grawitacji, co jeszcze niedawno wydawało się odległą przyszłością.
Mogłoby się okazać, że eksperyment Pivkovskiego jest inspiracją dla nowych badań, co wprowadziłoby fizyków głębiej w eę kwantowej grawitacji, Podobnie jak niektóre eksperymenty niegdyś torowały drogę dla teorii fotonu. Wiadomo teraz, że mechanika kwantowa to coś więcej niż zwykłe porcjowanie. Systemy kwantowej mogą znajdować się w kombinacji stanów znanych jako superpozycja, na przykład, a ich części mogą znajdować się w splątaniu kwantowym. Powoduje to fakt, że pomiar jednej części odsłania informacje na temat drugiej... Badania wykazujące, że grawitacja zachowuje te właściwości dostarczyłyby silniejszych dowodów na jej kwantowalność, a już teraz badacze zbierają informacje, co należałoby zrobić, aby przeprowadzić te eksperymenty.
Żadne z testów dotyczące kwantowej grawitacji nie są całkowicie nie do obalenia, ale każdy dostarcza twardych danych liczbowych odnośnie najsłabszej siły fundamentalnej. A teraz - pręt z berylu w roli kandydata stanowi najsilniejszy punkt wyjściowy dla eksperymentu, który zapoczątkuje nową drogę. Drogę eksperymentalnej kwantowej grawitacji.
Jednym słowem, przyszłość kwantowej grawitacji opiera się na 15 kilogramowym pręcie :)
I tyle od @diepshys :)
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz