Pada tahun 1935, ketika mekanika kuantum dan teori relativitas umum Einstein masih sangat muda, fisikawan Soviet yang tidak begitu terkenal, Matvei Bronstein, pada usia 28 tahun, melakukan studi terperinci pertama tentang rekonsiliasi kedua teori ini dalam teori gravitasi kuantum. Ini, "mungkin teori seluruh dunia," seperti yang ditulis Bronstein, bisa menggantikan deskripsi klasik Einstein tentang gravitasi, di mana ia dipandang sebagai kurva dalam kontinum ruang-waktu, dan menulis ulang dalam bahasa kuantum, seperti semua fisika lainnya.
Bronstein menemukan cara mendeskripsikan gravitasi dalam istilah partikel terkuantisasi, yang sekarang disebut graviton, tetapi hanya jika gaya gravitasi lemah - yaitu (dalam relativitas umum) ketika ruangwaktu melengkung begitu lemah sehingga praktis datar. Ketika gravitasi kuat, "situasinya benar-benar berbeda," tulis ilmuwan itu. "Tanpa revisi konsep klasik yang mendalam, tampaknya hampir tidak mungkin untuk menyajikan teori gravitasi quantum di area ini."
Kata-katanya bernubuat. Delapan puluh tiga tahun kemudian, fisikawan masih mencoba memahami bagaimana kelengkungan ruang-waktu memanifestasikan dirinya dalam skala makroskopis, yang berasal dari gambaran gravitasi quantum yang lebih fundamental dan seharusnya; mungkin pertanyaan terdalam dalam fisika. Mungkin, jika ada kesempatan, kepala cerah Bronstein akan mempercepat proses pencarian ini. Selain gravitasi kuantum, ia juga memberikan kontribusi pada astrofisika dan kosmologi, teori semikonduktor, elektrodinamika kuantum, dan menulis beberapa buku untuk anak-anak. Pada tahun 1938 ia jatuh di bawah penindasan Stalinis dan dieksekusi pada usia 31 tahun.
Pencarian teori gravitasi kuantum yang lengkap diperumit oleh fakta bahwa sifat-sifat gravitasi kuantum tidak pernah memanifestasikan dirinya dalam pengalaman nyata. Fisikawan tidak melihat bagaimana penjelasan Einstein tentang kontinum ruang-waktu yang mulus dilanggar, atau pendekatan kuantum Bronstein tentangnya dalam keadaan sedikit melengkung.
Masalahnya terletak pada kelemahan ekstrim gaya gravitasi. Sementara partikel terkuantisasi yang memancarkan gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik begitu kuat sehingga mengikat erat materi menjadi atom dan dapat diperiksa secara harfiah di bawah kaca pembesar, graviton secara individual sangat lemah sehingga laboratorium tidak memiliki kesempatan untuk mendeteksinya. Untuk menangkap graviton dengan probabilitas tingkat tinggi, detektor partikel harus sangat besar dan masif sehingga dapat jatuh ke dalam lubang hitam. Kelemahan ini menjelaskan mengapa akumulasi massa astronomi diperlukan untuk memengaruhi benda masif lainnya melalui gravitasi, dan mengapa kita melihat efek gravitasi pada skala yang sangat besar.
Ini belum semuanya. Alam semesta tampaknya tunduk pada semacam sensor kosmik: area gravitasi yang kuat - di mana kurva ruang-waktu begitu tajam sehingga persamaan Einstein gagal, dan sifat kuantum gravitasi dan ruang-waktu harus terungkap - selalu bersembunyi di balik cakrawala lubang hitam.
“Bahkan beberapa tahun yang lalu ada konsensus umum bahwa sangat mungkin untuk mengukur kuantisasi medan gravitasi dengan cara apa pun,” kata Igor Pikovsky, fisikawan teoritis di Universitas Harvard.
Video promosi:
Dan berikut adalah beberapa makalah terbaru yang diterbitkan dalam Physical Review Letters yang telah mengubah situasinya. Makalah-makalah ini membuat klaim bahwa adalah mungkin untuk mencapai gravitasi quantum - bahkan tanpa mengetahui apapun tentangnya. Makalah, yang ditulis oleh Sugato Bose dari University College London dan Chiara Marletto dan Vlatko Vedral dari University of Oxford, mengusulkan eksperimen yang secara teknis menantang tetapi dapat dilakukan yang dapat memastikan bahwa gravitasi adalah gaya kuantum seperti orang lain tanpa memerlukan deteksi graviton. Miles Blencoe, fisikawan kuantum di Dartmouth College yang tidak terlibat dalam penelitian ini, mengatakan eksperimen semacam itu bisa mengungkap jejak jelas gravitasi kuantum tak terlihat - "senyum Kucing Cheshire".
Eksperimen yang diusulkan akan menentukan apakah dua objek - kelompok Bose berencana menggunakan sepasang mikrodiamond - menjadi kuantum-mekanis terjerat di antara mereka sendiri dalam proses tarikan gravitasi timbal balik. Keterikatan adalah fenomena kuantum di mana partikel menjadi terjalin tak terpisahkan, berbagi deskripsi fisik tunggal yang mendefinisikan kemungkinan keadaan gabungannya. (Koeksistensi berbagai status yang mungkin disebut "superposisi" dan mendefinisikan sistem kuantum). Misalnya, sepasang partikel terjerat dapat berada dalam superposisi, di mana partikel A akan berputar dari bawah ke atas dengan probabilitas 50%, dan B - dari atas ke bawah, dan sebaliknya dengan probabilitas 50%. Tidak ada yang tahu sebelumnya hasil apa yang akan Anda peroleh saat mengukur arah putaran partikel, tetapi Anda bisa memastikannyabahwa mereka akan mendapatkan yang sama.
Para penulis berpendapat bahwa dua objek dalam eksperimen yang diusulkan dapat terjerat dengan cara ini hanya jika gaya yang bekerja di antara mereka - dalam hal ini gravitasi - adalah interaksi kuantum yang dimediasi oleh graviton, yang dapat mendukung superposisi kuantum. “Jika dilakukan eksperimen dan diperoleh keterjeratan, menurut makalah tersebut, dapat disimpulkan bahwa gravitasi dikuantisasi,” jelas Blenkow.
Rangkai berlian
Gravitasi kuantum begitu halus sehingga beberapa ilmuwan mempertanyakan keberadaannya. Ahli matematika dan fisikawan terkenal Freeman Dyson, 94, telah berargumen sejak 2001 bahwa alam semesta dapat mendukung semacam deskripsi "dualistik", di mana "medan gravitasi yang dijelaskan oleh teori relativitas umum Einstein akan menjadi medan klasik murni tanpa perilaku kuantum apa pun." dan semua materi dalam kontinum ruang-waktu yang mulus ini akan dikuantisasi oleh partikel yang mematuhi aturan probabilitas.
Dyson, yang membantu mengembangkan elektrodinamika kuantum (teori interaksi antara materi dan cahaya) dan profesor emeritus di Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, tidak percaya bahwa gravitasi kuantum diperlukan untuk menggambarkan kedalaman lubang hitam yang tak terjangkau. Dan dia juga percaya bahwa mendeteksi graviton hipotetis pada prinsipnya mungkin mustahil. Dalam hal ini, katanya, gravitasi quantum akan menjadi metafisik, bukan fisik.
Dia bukan satu-satunya yang skeptis. Fisikawan Inggris terkenal Sir Roger Penrose dan ilmuwan Hongaria Lajos Diosi secara independen berasumsi bahwa ruang-waktu tidak dapat mendukung superposisi. Mereka percaya bahwa sifatnya yang halus, padat, dan pada dasarnya klasik mencegahnya menekuk menjadi dua jalur yang mungkin secara bersamaan - dan kekakuan inilah yang menyebabkan runtuhnya superposisi sistem kuantum seperti elektron dan foton. “Dekoherensi gravitasi”, menurut mereka, memungkinkan terjadinya realitas klasik yang solid, yang dapat dirasakan dalam skala makroskopis.
Menemukan "senyuman" gravitasi quantum tampaknya akan menyangkal argumen Dyson. Ini juga membunuh teori dekoherensi gravitasi dengan menunjukkan bahwa gravitasi dan ruang waktu memang mendukung superposisi kuantum.
Proposal Bose dan Marletto muncul secara bersamaan dan sepenuhnya secara tidak sengaja, meskipun para ahli mencatat bahwa mereka mencerminkan semangat zaman. Laboratorium fisika kuantum eksperimental di seluruh dunia menempatkan objek mikroskopis yang semakin besar dalam superposisi kuantum dan mengoptimalkan protokol uji untuk keterikatan dua sistem kuantum. Eksperimen yang diusulkan perlu menggabungkan prosedur ini, sementara membutuhkan peningkatan lebih lanjut dalam skala dan sensitivitas; mungkin butuh sepuluh tahun. "Tapi tidak ada jalan buntu fisik," kata Pikovsky, yang juga mengeksplorasi bagaimana eksperimen laboratorium dapat menyelidiki fenomena gravitasi. "Saya pikir itu sulit, tetapi bukan tidak mungkin."
Rencana ini diuraikan secara lebih rinci dalam pekerjaan Bose et al. Sebelas pakar Ocean untuk fase proposal yang berbeda. Misalnya, di laboratoriumnya di University of Warwick, rekan penulis Gavin Morley sedang mengerjakan langkah pertama, mencoba menempatkan mikrodiamond dalam superposisi kuantum di dua tempat. Untuk melakukan ini, ia akan melampirkan atom nitrogen dalam berlian mikro, di samping kekosongan dalam struktur berlian (yang disebut pusat NV, atau kekosongan tersubstitusi nitrogen dalam berlian), dan mengisinya dengan pulsa gelombang mikro. Sebuah elektron berputar di sekitar pusat NV secara bersamaan menyerap cahaya dan tidak, dan sistem masuk ke superposisi kuantum dari dua arah putaran - naik dan turun - seperti puncak yang berputar searah jarum jam dengan probabilitas tertentu dan berlawanan arah jarum jam dengan probabilitas tertentu. Sebuah berlian mikro yang dimuat dengan putaran superposisi ini terkena medan magnet,yang membuat putaran atas bergerak ke kiri dan putaran bawah ke kanan. Berlian itu sendiri terbagi menjadi superposisi dua lintasan.
Dalam percobaan penuh, para ilmuwan harus melakukan semua ini dengan dua berlian - merah dan biru, katakanlah - terletak berdampingan dalam vakum ultra dingin. Ketika perangkap yang menahannya mati, dua berlian mikro, masing-masing dalam superposisi dua posisi, akan jatuh secara vertikal dalam ruang hampa. Saat berlian jatuh, mereka akan merasakan gravitasi masing-masing. Seberapa kuat tarikan gravitasinya?
Jika gravitasi adalah interaksi kuantum, jawabannya adalah: tergantung pada apa. Setiap komponen superposisi berlian biru akan mengalami tarikan yang lebih kuat atau lebih lemah ke berlian merah, bergantung pada apakah yang terakhir berada di cabang superposisi yang lebih dekat atau lebih jauh. Dan gravitasi yang dirasakan oleh setiap komponen superposisi berlian merah bergantung pada keadaan berlian biru.
Dalam setiap kasus, derajat tarikan gravitasi yang berbeda mempengaruhi komponen superposisi berlian yang berkembang. Dua berlian menjadi saling bergantung karena statusnya hanya dapat ditentukan dalam kombinasi - jika ini berarti - oleh karena itu, pada akhirnya, arah putaran kedua sistem pusat NV akan berkorelasi.
Setelah mikrodiamon jatuh berdampingan selama tiga detik - cukup untuk terjerat dalam gravitasi - mereka akan melewati medan magnet lain, yang sekali lagi akan menyelaraskan cabang dari setiap superposisi. Langkah terakhir dari eksperimen adalah protokol saksi keterjeratan, yang dikembangkan oleh fisikawan Denmark Barbara Teral dan lainnya: berlian biru dan merah memasuki perangkat berbeda yang mengukur arah putaran sistem pusat NV. (Pengukuran menyebabkan runtuhnya superposisi menjadi keadaan tertentu). Kemudian kedua hasil tersebut dibandingkan. Dengan menjalankan eksperimen berulang kali dan membandingkan beberapa pasang pengukuran putaran, para ilmuwan dapat menentukan apakah putaran dua sistem kuantum sebenarnya lebih sering berkorelasi daripada menentukan batas atas untuk objek yang tidak terjerat secara mekanis kuantum. Jika begitu,gravitasi memang melibatkan berlian dan dapat mempertahankan superposisi.
“Yang menarik dari eksperimen ini adalah Anda tidak perlu tahu apa itu teori kuantum,” kata Blenkow. "Yang diperlukan hanyalah menegaskan bahwa ada beberapa aspek kuantum di area ini yang dimediasi oleh gaya antara dua partikel."
Ada banyak kesulitan teknis. Objek terbesar yang pernah ditumpangkan di dua tempat sebelumnya adalah molekul 800 atom. Setiap berlian mikro mengandung lebih dari 100 miliar atom karbon - cukup untuk membangun gaya gravitasi yang nyata. Membongkar sifat mekanik kuantumnya akan membutuhkan suhu rendah, vakum dalam, dan kontrol yang tepat. "Ada banyak pekerjaan yang terlibat dalam menyiapkan superposisi awal dan pemicuan," kata Peter Barker, anggota tim eksperimental yang meningkatkan pendinginan laser dan teknik penangkapan berlian mikro. Jika itu bisa dilakukan dengan satu berlian, Bose menambahkan, "berlian kedua tidak akan menjadi masalah."
Apa yang membuat gravitasi unik?
Peneliti gravitasi kuantum tidak ragu bahwa gravitasi adalah interaksi kuantum yang dapat menyebabkan belitan. Tentu saja, gravitasi agak unik dan masih banyak yang harus dipelajari tentang asal usul ruang dan waktu, tetapi mekanika kuantum harus dilibatkan, kata para ilmuwan. "Sebenarnya, apa gunanya teori di mana sebagian besar fisika adalah kuantum dan gravitasi adalah klasik," kata Daniel Harlow, seorang peneliti gravitasi kuantum di MIT. Argumen teoritis terhadap model kuantum-klasik campuran sangat kuat (meskipun tidak konklusif).
Di sisi lain, para ahli teori telah salah sebelumnya. “Kalau bisa cek, kenapa tidak? Jika ini membungkam orang-orang yang mempertanyakan quantumness gravitasi, itu akan bagus,”kata Harlow.
Setelah membaca koran, Dyson menulis: "Eksperimen yang diusulkan tidak diragukan lagi sangat menarik dan membutuhkan pelaksanaan dalam kondisi sistem kuantum nyata." Namun, ia mencatat bahwa arah pemikiran para penulis tentang medan kuantum berbeda darinya. “Tidak jelas bagi saya apakah eksperimen ini akan mampu menjawab pertanyaan tentang keberadaan gravitasi quantum. Pertanyaan yang saya ajukan - apakah kita mengamati graviton yang terpisah - adalah pertanyaan lain, dan mungkin jawabannya berbeda."
Garis pemikiran Bose, Marletto, dan rekan-rekan mereka tentang gravitasi terkuantisasi bermula dari karya Bronstein pada awal 1935. (Dyson menyebut karya Bronstein sebagai "karya indah" yang belum pernah ia lihat sebelumnya). Secara khusus, Bronstein menunjukkan bahwa gravitasi lemah yang ditimbulkan oleh massa rendah dapat didekati oleh hukum gravitasi Newton. (Ini adalah gaya yang bekerja di antara superposisi mikrodiamond). Menurut Blencoe, kalkulasi gravitasi terkuantisasi lemah belum dilakukan secara khusus, meskipun sudah pasti lebih relevan daripada fisika lubang hitam atau Big Bang. Dia berharap bahwa proposal eksperimental baru akan mendorong para ahli teori untuk mencari perbaikan halus pada pendekatan Newtonian, yang mungkin coba diuji oleh eksperimen meja di masa depan.
Leonard Susskind, ahli teori gravitasi kuantum dan string terkenal di Stanford University, melihat nilai dari eksperimen yang diusulkan karena "eksperimen ini memberikan pengamatan gravitasi dalam rentang massa dan jarak baru." Tetapi dia dan peneliti lain menekankan bahwa mikrodiamond tidak dapat mengungkapkan apapun tentang teori lengkap gravitasi kuantum atau ruangwaktu. Dia dan rekan-rekannya ingin memahami apa yang terjadi di tengah lubang hitam dan saat Big Bang.
Mungkin salah satu petunjuk mengapa gravitasi jauh lebih sulit untuk diukur daripada yang lainnya adalah bahwa gaya alam lainnya memiliki apa yang disebut "lokalitas": partikel kuantum di satu wilayah medan (foton dalam medan elektromagnetik, misalnya) “tidak bergantung pada entitas fisik lain di area ruang lain,”kata Mark van Raamsdonk, ahli teori gravitasi kuantum di University of British Columbia. "Tapi ada banyak bukti teoritis bahwa gravitasi tidak bekerja seperti itu."
Dalam model pasir terbaik dari gravitasi kuantum (dengan geometri ruang-waktu yang disederhanakan), tidak mungkin untuk mengasumsikan bahwa pita kain ruang-waktu dibagi menjadi potongan tiga dimensi yang independen, kata van Raamsdonk. Sebaliknya, teori modern menyatakan bahwa konstituen dasar yang mendasari ruang "agak terorganisir secara dua dimensi". Struktur ruang-waktu bisa seperti hologram atau video game. "Meskipun gambarnya tiga dimensi, informasinya disimpan pada chip komputer dua dimensi." Dalam hal ini, dunia tiga dimensi akan menjadi ilusi dalam arti berbagai bagiannya tidak begitu independen. Mirip dengan video game, beberapa bit pada chip dua dimensi dapat menyandikan fungsi global dari seluruh dunia game.
Dan perbedaan ini penting saat Anda mencoba membuat teori gravitasi quantum. Pendekatan biasa untuk mengukur sesuatu adalah dengan mendefinisikan bagian-bagian independennya - partikel, misalnya - dan kemudian menerapkan mekanika kuantum padanya. Tetapi jika Anda tidak mengidentifikasi konstituen yang benar, Anda akan mendapatkan persamaan yang salah. Kuantisasi langsung ruang tiga dimensi yang ingin dilakukan Bronstein sampai taraf tertentu berhasil dengan gravitasi lemah, tetapi ternyata tidak berguna ketika ruangwaktu sangat melengkung.
Beberapa ahli mengatakan bahwa menyaksikan "senyuman" gravitasi quantum dapat memotivasi penalaran abstrak semacam ini. Bagaimanapun, bahkan argumen teoritis paling keras tentang keberadaan gravitasi kuantum tidak didukung oleh bukti eksperimental. Ketika van Raamsdonk menjelaskan penelitiannya dalam kolokium ilmuwan, katanya, biasanya dimulai dengan menceritakan bagaimana gravitasi perlu dipikirkan ulang dengan mekanika kuantum karena deskripsi klasik ruangwaktu rusak di lubang hitam dan Big Bang.
“Tetapi jika Anda melakukan eksperimen sederhana ini dan menunjukkan bahwa medan gravitasi berada dalam superposisi, kegagalan deskripsi klasik menjadi jelas. Karena akan ada eksperimen yang mengimplikasikan bahwa gravitasi adalah kuantum."
Berdasarkan materi dari Majalah Quanta
Ilya Khel
