Eksperyment, który właśnie otrzymał finansowanie z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, może być pierwszym bezpośrednim dowodem na to, że sama przestrzeń ma strukturę – i że ta struktura jest kwantowa
Od ponad stu lat fizyka funkcjonuje z cichą sprzecznością u swoich podstaw. Ogólna teoria względności Einsteina z zadziwiającą precyzją opisuje wszechświat w skali kosmicznej – ruch planet, zakrzywienie światła, fale czasoprzestrzeni wynikające ze zderzenia czarnych dziur. Mechanika kwantowa robi to samo w najmniejszych skalach – zachowanie cząstek, strukturę atomów, naturę światła. Obie teorie działają. Żadna z nich się nie myli. A jednak są fundamentalnie niekompatybilne. Połączenie ich jest uważane za jedno z największych nierozwiązanych wyzwań w nauce. To może się wkrótce zmienić.
Dwa tygodnie temu Uniwersytet w Cardiff ogłosił, że profesor Hartmut Grote z Instytutu Badań nad Grawitacją otrzymał znaczący grant od Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych na przeprowadzenie przełomowego eksperymentu z jednym celem: znalezienie pierwszego bezpośredniego dowodu eksperymentalnego na istnienie kwantowej grawitacji. Pomysł stojący za projektem jest równie elegancki, co radykalny. Czasoprzestrzeń – tkanka wszechświata – może nie być gładka i ciągła, tak jak wyobrażał ją sobie Einstein. Może być ziarnista, pikselowa. Zbudowana z dyskretnych jednostek kwantowych w skali tak małej, że nigdy nie została bezpośrednio zmierzona: długość Plancka – odległość około dwudziestu rzędów wielkości mniejsza od protonu. To nie są piksele, które można zobaczyć. Ale w odpowiednich warunkach teoria przewiduje, że tworzą one pewnego rodzaju kwantowe rozmycie – ledwo wyczuwalne drżenie pozycji otaczających nas obiektów.
Zespół profesora Grote planuje wykryć właśnie to drżenie. Używając stołowego interferometru laserowego – instrumentu tak precyzyjnego, że jest w stanie mierzyć zmiany długości mniejsze niż miliardowa część atomu – połączą dwie najnowocześniejsze technologie kwantowe, nigdy wcześniej nieużywane razem: światło skompresowane, redukujące szum kwantowy w pomiarach laserowych poniżej klasycznych ograniczeń, oraz detekcję pojedynczych fotonów, zapewniającą bezprecedensową dokładność przy niemal zerowym poziomie szumów. Eksperyment, nazwany Single Photon Detection Interferometry for Quantum Gravity (Detekcja Pojedynczych Fotonów w Interferometrii dla Kwantowej Grawitacji), bezpośrednio opiera się na technologiach opracowanych dla LIGO i Virgo – detektorów fal grawitacyjnych, które już udowodniły swoją zdolność do wychwytywania najmniejszych fal czasoprzestrzeni od zderzeń czarnych dziur w odległości miliardów lat świetlnych od nas.
„Potwierdzenie kwantowych sygnatur czasoprzestrzeni byłoby epokowym osiągnięciem. Zmieniłoby nasze rozumienie rzeczywistości na najbardziej fundamentalnym poziomie i otworzyłoby zupełnie nowe kierunki badań naukowych. Ponad sto lat po tym, jak Einstein zmienił nasze pojmowanie czasu i przestrzeni, ten projekt może przybliżyć nas o krok do dokończenia obrazu, który rozpoczął. Myślę, że byłby zachwycony.” – mówi profesor Hartmut Grote z Uniwersytetu w Cardiff.
Jeśli eksperyment zakończy się sukcesem, konsekwencje wykraczają daleko poza samo odkrycie. Skwantowana czasoprzestrzeń potwierdziłaby, że wszechświat nie składa się z gładkich pól i ciągłej geometrii – ale z czegoś przypominającego informację: dyskretnego, policzalnego, fundamentalnie kwantowego. Potwierdziłoby to koncepcje teoretyczne, które po cichu kształtowały się przez dekady – od zasady holograficznej po ideę, że geometria czasoprzestrzeni wyłania się z splątania kwantowego. Oznaczałoby to, że to, co nazywamy fizyczną rzeczywistością – przestrzeń, czas, materia – nie jest podstawą wszechświata. Jest to sposób, w jaki informacja kwantowa wszechświata wygląda z naszej perspektywy. Dodatkowo, ten sam eksperyment może wykryć ślady ciemnej materii i pierwotnych fal grawitacyjnych, echa najwcześniejszych chwil istnienia wszechświata. Nauka, jak to ujmuje profesor Grote, nie zawsze ogłasza się głośno. Czasem przychodzi jako ledwo wyczuwalne drżenie wiązki lasera na stole laboratoryjnym.
