Als het gaat om een ​​huwelijk met de kwantumtheorie, zwaartekracht is de enige houvast tussen de vier fundamentele krachten in de natuur. De drie andere - de elektromagnetische kracht, de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor radioactief verval, en de sterke kracht, die neutronen en protonen samenbindt in de atoomkern - zijn allemaal samengevoegd met de kwantumtheorie om het universum met succes op de kleinste schaal te beschrijven, waar de wetten van de kwantummechanica een leidende rol moeten spelen.

Hoewel Einsteins algemene relativiteitstheorie, die zwaartekracht beschrijft als een kromming van ruimte-tijd, verklaart een groot aantal zwaartekrachtsverschijnselen, het faalt binnen de kleinste volumes - het centrum van een zwart gat of het universum bij zijn explosieve geboorte, toen het kleiner was dan een atomaire diameter. Dat is waar de kwantummechanica zou moeten domineren.

Maar in de afgelopen acht decennia deskundige na deskundige, inclusief Einstein, zijn niet in staat geweest om de kwantumtheorie te verenigen met de zwaartekracht. Dus, is zwaartekracht echt een kwantumkracht?

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben nu een experiment voorgesteld dat kan helpen de kwestie op te lossen.

Het experiment maakt gebruik van twee van de vreemdste eigenschappen van de kwantumtheorie. Een daarvan is het superpositieprincipe, die stelt dat een ongestoord atomair deeltje kan worden beschreven als een golf, met enige kans om op twee plaatsen tegelijk te zijn. Bijvoorbeeld, een ongestoord atoom dat door een gebied met twee spleten reist, gaat niet door een van de spleten, maar door beide.

En omdat het atoom wordt beschreven door een golf, het gedeelte dat door de ene spleet gaat, interfereert met het gedeelte dat door de andere gaat, het produceren van een bekend patroon van heldere en donkere franjes. De heldere randen komen overeen met gebieden waar de heuvels en valleien van de twee golven op één lijn liggen, zodat ze bij elkaar optellen, constructieve interferentie creëren en de donkere gebieden komen overeen met gebieden waar de heuvels en valleien van de golven elkaar opheffen, het creëren van destructieve interferentie.

De tweede vreemde kwantumeigenschap staat bekend als verstrengeling, een fenomeen waarbij twee deeltjes zo sterk gecorreleerd kunnen zijn dat ze zich als één geheel gedragen. Het meten van een eigenschap van een van de deeltjes dwingt automatisch de andere om een ​​complementaire eigenschap te hebben, zelfs als de twee deeltjes sterrenstelsels van elkaar verwijderd zijn.

In een kwantumtheorie van de zwaartekracht, de aantrekkingskracht tussen twee massieve objecten zou worden gecommuniceerd door een hypothetisch subatomair deeltje, de zwaartekracht, op dezelfde manier dat de elektromagnetische interactie tussen twee geladen deeltjes wordt gecommuniceerd door een foton (het fundamentele deeltje van licht). Dus, als er echt een graviton bestaat, het moet verbinding kunnen maken, of verstrikt raken, de eigenschappen van twee massieve lichamen, net zoals een foton de eigenschappen van twee geladen deeltjes kan verstrengelen

Het voorgestelde experiment door Jake Taylor van NIST's Joint Quantum Institute aan de Universiteit van Maryland, samen met Daniel Carney, nu in het Lawrence Berkeley National Laboratory, en Holger Müller van de Universiteit van Californië, Berkeley, biedt een slimme manier om te testen of twee massieve lichamen inderdaad door de zwaartekracht verstrengeld kunnen raken. Ze beschreven hun werk in een artikel dat op 18 augustus online is gepubliceerd in Physical Review X Quantum. 2021.

Het experiment zou een koude wolk van atomen gebruiken, gevangen in een atomaire interferometer. De interferometer heeft twee armen:een linkerarm en een rechterarm. Volgens het superpositieprincipe als elk atoom in de wolk zuiver is, ongestoorde kwantumtoestand, het kan worden omschreven als een golf die beide armen tegelijkertijd bezet. Wanneer de twee delen van de golf, een van elke arm, recombineren, ze zullen een interferentiepatroon produceren dat eventuele veranderingen in hun paden als gevolg van krachten zoals zwaartekracht onthult.

Een kleine, aanvankelijk stationaire massa opgehangen als een slinger wordt net buiten de interferometer geïntroduceerd. De zwevende massa en het atoom worden door de zwaartekracht aangetrokken. Als die aantrekkingskracht ook verstrengeling veroorzaakt, hoe zou dat eruit zien?

De zwevende massa zal worden gecorreleerd met een specifieke locatie voor het atoom - ofwel de rechterarm van de interferometer of de linker. Als resultaat, de massa zal naar links of rechts gaan zwaaien. Als het atoom zich aan de linkerkant bevindt, de slinger begint naar links te slingeren; als het atoom zich aan de rechterkant bevindt, de slinger zal naar rechts gaan slingeren. De zwaartekracht heeft de positie van het atoom in de interferometer verstrengeld met de richting waarin de slinger begint te slingeren.

De positieverstrengeling betekent dat de slinger de locatie van het atoom effectief heeft gemeten, lokaliseren naar een bepaalde plaats binnen de interferometer. Omdat het atoom niet langer in een superpositie is van tegelijkertijd in beide armen te zijn, het interferentiepatroon verdwijnt of neemt af.

Een halve periode later, wanneer de slingerende massa terugkeert naar zijn startpunt, het verliest alle "geheugen" van de zwaartekrachtverstrengeling die het had gecreëerd. Dat komt omdat, ongeacht het pad dat de slinger nam - aanvankelijk naar rechts zwaaiend, die een locatie kiest voor het atoom in de rechter interferometerarm, of aanvankelijk naar links zwaaiend, die een locatie voor het atoom in de linkerarm kiest - het keert terug naar dezelfde startpositie, net als een kind op een schommel.

En wanneer het terugkeert naar de startpositie, het is even waarschijnlijk dat de slinger een locatie voor het atoom in de linker- of rechterarm zal uitkiezen. Op dat moment, verstrengeling tussen de massa en het atoom is gewist en het atomaire interferentiepatroon verschijnt weer.

Een halve periode daarna, als de slinger naar de ene of de andere kant zwaait, verstrengeling wordt hersteld en het interferentiepatroon neemt weer af. Terwijl de slinger heen en weer zwaait, herhaalt het patroon zich - interferentie, verminderde interferentie, interferentie. Deze ineenstorting en heropleving van interferentie, de wetenschappers zeggen, zou een "rokend pistool" zijn voor verstrikking.

"Het is moeilijk voor enig ander fenomeen dan zwaartekrachtverstrengeling om zo'n cyclus te produceren, ' zei Carney.

Hoewel het ideale experiment misschien een decennium of langer duurt voordat het is gebouwd, een voorlopige versie zou binnen enkele jaren klaar kunnen zijn. Er kunnen verschillende sneltoetsen worden gebruikt om dingen gemakkelijker te kunnen observeren, zei Taylor. De grootste kortere weg is om de veronderstelling te omarmen, vergelijkbaar met de algemene relativiteitstheorie van Einstein, dat het niet uitmaakt wanneer u het experiment start - u moet altijd hetzelfde resultaat krijgen.

Taylor merkte op dat niet-zwaartekrachtbronnen van kwantumverstrengeling moeten worden overwogen, wat een zorgvuldig ontwerp en metingen vereist om te voorkomen.