Ist die Schwerkraft eine Größe? Eine neue Erfahrung, um die Tiefen des Universums zu erkunden

• Wissenschaftler entwickeln ein Experiment, um zu testen, ob die Schwerkraft eine Quantengravitation ist oder nicht
• In der Quantenmechanik, die das Verhalten von Atomen und Molekülen beschreibt, verhalten sich Dinge anders als alles, was wir wissen: Sie können sich in einem Zustand der Quantenüberlagerung befinden, sodass sie sich gleichzeitig an zwei Orten befinden.
• Jetzt suchen Wissenschaftler nach einer Möglichkeit, herauszufinden, ob die Schwerkraft auf diese Weise funktioniert, indem sie winzige Diamanten in ein Vakuum schweben lassen
• Wäre die Schwerkraft eine Quantengravitation, wären Diamanten „verschränkt“ – ein interessantes Phänomen, das zwei Objekte auf eine Weise stark miteinander verbindet, die im Alltag unmöglich ist
• Diese Forschung wird helfen, Schwarze Löcher zu verstehen die große ExplosionUnd das Universum

Quantengravitationsexperiment

Wissenschaftler entwickeln ein Experiment, um zu testen, ob die Schwerkraft Quanten ist, eine der tiefgreifendsten Fragen zu unserem Universum.

Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind unsere beiden grundlegenden Beschreibungen der Natur. Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Schwerkraft auf großen Skalen, während die Quantenmechanik das Verhalten von Atomen und Molekülen erklärt.

Die Herausforderung, Theorien zu vereinen

Das wohl wichtigste ungelöste Problem in der Grundlagenphysik ist die richtige Kombination dieser beiden Theorien – um festzustellen, ob die Schwerkraft auf der Quantenebene wirkt. Während theoretische Arbeiten viele Möglichkeiten nahelegen, sind Experimente erforderlich, um das Verhalten der Schwerkraft vollständig zu verstehen.

Ein Laserstrahl in Gavin Morleys Labor erforscht die Quanteneigenschaften von Diamanten. Bildnachweis: Gavin Morley

Eine revolutionäre Erfahrung des globalen Konsortiums

Hundert Jahre lang schienen Experimente zur Quantennatur der Schwerkraft weit hergeholt, doch nun werden Wissenschaftler der Universitäten Warwick, University College London, Yale (USA), Northwestern (USA) und Groningen (Niederlande) daran zusammenarbeiten Untersuche dieses Rätsel. .

Ihre neue Idee besteht darin, zwei winzige Diamanten in ein Vakuum zu heben und sie beide in eine Quantenüberlagerung zu versetzen, sodass sie sich gleichzeitig an zwei Orten befinden. Dieses kontraintuitive Verhalten ist ein grundlegendes Merkmal der Quantenmechanik.

Professor Morleys Vision des Experiments

Jeder Diamant kann als kleinere Version von Schrödingers Katze betrachtet werden. Hauptforscher Professor Gavin Morley, Fachbereich Physik, Universität WarwickEr erklärt: „Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment, das darauf hindeutet, dass es wirklich seltsam wäre, wenn sich Alltagsgegenstände (und Haustiere!) in einem Zustand der Quantenüberlagerung befinden würden, weil sie sich an zwei Orten gleichzeitig befinden. Wir wollen die Grenzen davon testen.“ Idee.“

„Wir haben Atome und Moleküle erfolgreich in diesen Überlagerungszustand versetzt, aber wir wollen es mit viel größeren Objekten machen. Unsere Diamanten bestehen aus einer Milliarde oder mehr Atomen. Um die Quantennatur der Schwerkraft zu testen, müssen wir nach Wechselwirkungen suchen.“ zwischen zwei dieser Diamanten aufgrund der Schwerkraft.“

„Wenn die Schwerkraft eine Quantengravitation wäre, wäre sie in der Lage, zwei Diamanten zu verschränken. Verschränkung ist ein einzigartiger Quanteneffekt, bei dem zwei Dinge stärker miteinander verbunden sind, als es in unserem Alltagsleben möglich ist. Wenn man zum Beispiel zwei Münzen verschränken könnte, könnte man das finden.“ Wenn man sie umdreht, fallen sie auf die gleiche Weise herunter, auch wenn es unmöglich ist zu wissen, ob es sich um Kopf oder Zahl handelt.

Herausforderungen und Auswirkungen

Bei der Verwirklichung dieser Idee gibt es noch viele Herausforderungen, die das Team im Laufe des Projekts untersuchen wird. „Wir müssen zum Beispiel alle Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln außer der Schwerkraft eliminieren, was sehr schwierig ist, weil die Schwerkraft so schwach ist“, sagt Dr. David Moore von Yale Universität.

Professor Morley, Gründungsdirektor von Warwick Quantum, einer neuen multidisziplinären Forschungsinitiative für Quantentechnologie, fügte hinzu: „Für mich besteht das derzeit wichtigste Problem in der Physik darin, ein Experiment zu entwickeln, das die Quantennatur der Schwerkraft testen kann.“ Dieses neue Projekt ist eine Beschleunigung unseres aufregenden Weges dorthin.

Perspektiven von kooperierenden Wissenschaftlern

Professor Sugato Bose vom University College London kommentierte: „Man kann kaum genug betonen, wie wichtig es für Physiker ist, Experimente durchzuführen, die den richtigen Weg finden, Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie zu kombinieren. Menschen, die an Theorien der Quantengravitation arbeiten, wie z Die Stringtheorie konzentriert sich normalerweise auf das, was bei hohen Energien, in der Nähe von Schwarzen Löchern und beim Urknall passiert.

„Im Gegensatz dazu wird unsere Arbeit hier auf der Erde im Niedrigenergieregime durchgeführt, aber sie wird auch unschätzbare Informationen über … liefern. ob Schwerkraft ist Quantum. Das Experiment kann auch als Bestätigung der allgemeinen Vorhersage jeder Quantentheorie der Schwerkraft bei niedrigen Energien angesehen werden.

Professor Anupam Mazumdar von der Universität Groningen fügt hinzu: „Auf dem Weg zum Verständnis der Quantennatur der Schwerkraft können wir möglicherweise andere Aspekte der Grundlagenphysik testen, beispielsweise exotische Abweichungen von der Newtonschen Schwerkraft über kurze Distanzen.“

„Dies ist ein herausforderndes Experiment, und dieses Projekt ist bahnbrechend bei der Bewältigung einiger der wichtigsten technischen Herausforderungen, um diese Tests der Quantenaspekte der Schwerkraft Wirklichkeit werden zu lassen“, sagt Andrew Geraci, außerordentlicher Professor für Physik. Nordwestliche Universität.

Das Projekt heißt „MAST-QG: Makroskopische Superpositionen zur Betrachtung der Quantennatur der Schwerkraft“.