Kërkimi i One Lab për të ndërtuar hapësirë-kohë nga grimcat kuantike

Perspektivat për testimin e drejtpërdrejtë të një teorie të gravitetit kuantik janë të dobëta, për ta thënë butë. Për të hetuar shkallën ultra të vogël të Plankut, ku shfaqen efektet gravitacionale kuantike, do t’ju duhet një përshpejtues i grimcave aq i madh sa galaktika e Rrugës së Qumështit. Në mënyrë të ngjashme, vrimat e zeza mbajnë singularitete që drejtohen nga graviteti kuantik, por asnjë vrimë e zezë nuk është veçanërisht afër – dhe edhe nëse do të ishin, ne kurrë nuk mund të shpresojmë të shohim se çfarë është brenda. Graviteti kuantik ishte gjithashtu në punë në momentet e para të Big Bengut, por sinjalet direkte nga ajo epokë janë zhdukur prej kohësh, duke na lënë të deshifrojmë të dhëna delikate që u shfaqën për herë të parë qindra mijëra vjet më vonë.

Por në një laborator të vogël jashtë Palo Altos, profesorja e Universitetit të Stanfordit, Monika Schleier-Smith dhe ekipi i saj po provojnë një mënyrë tjetër për të testuar gravitetin kuantik, pa vrima të zeza ose përshpejtues të grimcave të madhësisë galaktike. Fizikanët kanë sugjeruar për më shumë se një dekadë se graviteti – dhe madje edhe vetë hapësirë-koha – mund të dalin nga një lidhje kuantike e çuditshme e quajtur ngatërrim. Schleier-Smith dhe bashkëpunëtorët e saj po e inxhinierojnë procesin e kundërt. Duke inxhinieruar sisteme kuantike shumë të ngatërruara në një eksperiment në tavolinë, Schleier-Smith shpreson të prodhojë diçka që duket dhe vepron si hapësirë-koha e shtrembëruar e parashikuar nga teoria e relativitetit të përgjithshëm të Albert Einstein.

Në një letër të postuar në qershor, ekipi i saj njoftoi hapin e tyre të parë eksperimental përgjatë kësaj rruge: një sistem atomesh të bllokuar nga drita, me lidhje të bëra sipas porosisë, të kontrolluara mirë me fusha magnetike. Kur akordohen në mënyrën e duhur, korrelacionet në distanca të gjata në këtë sistem përshkruajnë një gjeometri në formë peme, të ngjashme me ato që shihen në modelet e thjeshta të hapësirë-kohës emergjente. Schleier-Smith dhe kolegët e saj shpresojnë të ndërtojnë mbi këtë punë për të krijuar analoge me gjeometritë më komplekse, duke përfshirë ato të vrimave të zeza. Në mungesë të të dhënave të reja nga fizika e grimcave ose kozmologjia – një gjendje që mund të vazhdojë pafundësisht – kjo mund të jetë rruga më premtuese për të vënë në provë idetë më të fundit rreth gravitetit kuantik.

Për pesë dekada, teoria mbizotëruese e fizikës së grimcave, Modeli Standard, nuk ka hasur pothuajse asgjë përveç suksesit – deri në zhgënjimin e pafund të fizikantëve të grimcave. Problemi qëndron në faktin se Modeli Standard, pavarësisht suksesit të tij, është qartësisht i paplotë. Ai nuk përfshin gravitetin, pavarësisht nga kërkimi i gjatë për një teori të gravitetit kuantik për të zëvendësuar relativitetin e përgjithshëm. As nuk mund të shpjegojë materien e errët apo energjinë e errët, të cilat përbëjnë 95% të të gjitha sendeve në univers. (Modeli Standard gjithashtu ka probleme me faktin se neutrinot kanë masë – fenomeni i vetëm i fizikës së grimcave që nuk ka arritur të parashikojë.)

Për më tepër, vetë Modeli Standard dikton që përtej një pragu të caktuar të energjisë së lartë – një i lidhur ngushtë me shkallën Planck – pothuajse me siguri dështon.

Fizikanët janë të dëshpëruar për të dhëna eksperimentale të çuditshme që mund të ndihmojnë për t’i udhëhequr ata ndërsa ndërtojnë zëvendësimin e Modelit Standard. Teoria e fijeve, ende kandidatja kryesore për të zëvendësuar Modelin Standard, shpesh është akuzuar si e patestueshme. Por një nga veçoritë më të çuditshme të teorisë së fijeve sugjeron një mënyrë për të testuar disa ide rreth gravitetit kuantik që nuk kërkojnë arritje jopraktike të arkitekturës galaktike.

Teoria e fijeve është e mbushur me dualitete – marrëdhënie midis sistemeve të ndryshme fizike që ndajnë të njëjtën strukturë matematikore. Ndoshta më befasuesja dhe më e rëndësishmja nga këto dualitete është një lidhje midis një lloji të teorisë kuantike në katër dimensione pa gravitet, e njohur si një teori konformale e fushës (CFT), dhe një lloji të veçantë të hapësirë-kohës pesë-dimensionale me gravitetin, i njohur si një hapësirë ​​anti-de Sitter (AdS). Kjo korrespondencë AdS/CFT, siç dihet, u zbulua për herë të parë në vitin 1997 nga fizikani Juan Maldacena, tani në Institutin për Studime të Avancuara.

Për shkak se CFT ka një dimension më pak se hapësira e AdS, e para mund të mendohet si e shtrirë në sipërfaqen e kësaj të fundit, si lëkura dydimensionale e një molle tredimensionale. Megjithatë, teoria kuantike në sipërfaqe ende kap plotësisht të gjitha tiparet e vëllimit brenda – sikur të mund të thuash gjithçka për brendësinë e një molle vetëm duke parë lëkurën e saj. Ky është një shembull i asaj që fizikanët e quajnë holografi: një hapësirë ​​me dimensione më të ulëta që krijon një hapësirë ​​me dimensione më të larta, si një hologram i sheshtë që prodhon një imazh 3D.