그것은 교과서 물리 실험처럼 시작되며, 공이 봄에 붙어 있습니다. 광자가 공을 부딪 치면 충격으로 인해 매우 부드럽게 진동합니다. 하지만 캐치가 있습니다. 공에 도달하기 전에 광자는 반감기 거울을 만난다.
다음에 일어나는 일은 매우 잘 테스트되었지만 상충되는 이론 중 두 가지에 달려 있습니다. 양자 역학 또는 아인슈타인의 일반 상대성 이론; 이것들은 각각 우주의 소규모 및 대규모 속성을 설명합니다.
"중첩"이라는 이상한 양자 기계적 효과에서, 광자는 동시에 거울을 뒤로 이동하고 반사한다. 그런 다음 둘 다 파업하고 공을 치지 않습니다. 양자 역학이 거시적 수준에서 작동한다면, 공은 진동하기 시작하고 여전히 유지되어 두 상태의 중첩에 들어갑니다. 공에는 질량이 있으므로 중력장도 중첩으로 나뉩니다.
그러나 일반적인 상대성 이론에 따르면, 중력은 공 주위의 공간과 시간이 울립니다. 이론은 두 가지 다른 방식으로 공간과 시간 뒤틀림을 견딜 수 없으며, 이는 중첩을 불안정하게하여 공이 한 상태를 채택하도록 강요합니다.
.공에 어떤 일이 발생하는지 알면 물리학자가 양자 역학과 일반적인 상대성 사이의 갈등을 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 이러한 실험은 오랫동안 불가능한 것으로 간주되어 왔습니다. 광자 크기의 엔티티 만 양자 중첩에 넣을 수 있으며 볼 크기의 물체 만 감지 가능한 중력장이 있습니다. 양자 역학과 일반적인 상대성은 이질적인 영역에서 지배적이며, 엄청나게 밀도가 높고 양자 크기의 블랙홀에서만 수렴하는 것처럼 보입니다. 실험실에서 물리학 자 프리먼 다이슨 (Freeman Dyson)이 2004 년에 썼 듯이,“예측의 차이는 물리적으로 감지 할 수 없습니다.”
.지난 2 년 동안, 그 견해가 바뀌기 시작했습니다. 새로운 정밀 도구의 도움과 간접적으로 눈에 띄지 않는 효과를 조사하기위한 영리한 접근 방식으로 실험 론자들은 이제 양자 역학과 광자와 공과 같은 테스트에서 일반 상대성 사이의 인터페이스를 조사하기위한 조치를 취하고 있습니다. 새로운 실험 가능성은 양자 중력 이론에 대한 80 세의 퀘스트를 활성화하고 있습니다.
브리티시 컬럼비아 대학교의 이론 물리학 자 필립 스탬프는“모든 물리학의 가장 큰 단일 문제는 중력과 양자 역학을 조정하는 방법입니다. "갑자기 목표가 있다는 것이 분명합니다."
이론가들은 실험이 어떻게 진행 될 수 있는지, 그리고 양자 역학과 일반적인 상대성을 통합하는보다 완전한 이론에 대한 각 결과가 무엇을 의미하는지 생각하고있다. 스탬프는“그들 중 어느 것도 실패한 적이 없다”고 말했다. “그들은 양립 할 수 없습니다. 실험이 그 갈등에 빠질 수 있다면 그것은 큰 문제입니다.”
.Quantum Nature
공이있는 경향이 있기 때문에“여기”또는“거기”보다는 양자 척도에서, 기본 입자는 각 위치에 기존 확률을 갖습니다. 이러한 확률은 공간을 통해 종종 확장되는 파도의 봉우리와 같습니다. 예를 들어 광자가 화면에서 두 개의 인접한 슬릿을 만나면 50-50 개의 확률로 둘 중 하나를 통과 할 수 있습니다. 두 경로와 관련된 확률 피크는 화면의 먼 쪽에서 충족되어 밝고 어두운 간섭 프린지를 만듭니다. 이 프린지는 광자가 두 궤적의 중첩에 존재했음을 증명합니다.
그러나 양자 중첩은 섬세합니다. 중첩의 입자가 환경과 상호 작용하는 순간,“여기”또는“거기”의 명확한 상태로 붕괴되는 것으로 보입니다. 현대 이론과 실험은 환경 디코 언도라고하는이 효과가 중첩이 새어 나오고 입자가 겪는 모든 것을 감싸기 때문에 발생한다고 제안합니다. 일단 유출되면, 중첩은 물리학자가 그것을 연구하려는 물리학 자 또는 양자 컴퓨터를 구축하기 위해이를 활용하려고 시도하도록 빠르게 확장합니다. 내부에서, 많은 중첩 된 현실 버전 중 하나만 인식 할 수 있습니다.
단일 광자는 중첩을 쉽게 유지할 수 있습니다. 그러나 봄에 공과 같은 거대한 물체는“환경 교란에 기하 급수적으로 민감 해졌다”고 호주 퀸즈랜드 대학교의 엔지니어링 양자 시스템 센터 소장은 설명했다. "환경에서 임의의 차기로 입자 중 하나가 방해받을 가능성은 매우 높습니다."
환경의 해독으로 인해, 탁상 실험에서 거대한 물체의 양자 중첩을 조사한다는 아이디어는 수십 년 동안 물에서 죽은 것으로 보였다. Milburn은“문제는 격리를 얻고 중력 이외의 장애가 오지 않도록하는 것”이라고 말했다. 그러나 전망은 극적으로 향상되었습니다.
캘리포니아 대학교, 산타 바바라, 네덜란드의 라이덴 대학교 사이에서 시간을 나누는 실험적인 물리학자인 Dirk Bouwmeester는 광자와 볼 실험과 같은 설정을 개발했지만 봄의 공을 광학 기계적 발진기라고 불리는 물체로 교체했습니다. 목표는 발진기를 두 개의 진동 모드의 양자 중첩에 넣은 다음 중력이 중첩을 불안정하게하는지 확인하는 것입니다.
.10 년 전, Bouwmeester의 실험에 필요한 종류의 최고의 광학 역학적 발진기는 멈추지 않고 100,000 번 앞뒤로 흔들릴 수 있습니다. 그러나 그것은 중력이 시작되는 데 충분하지 않았습니다. 이제 개선 된 발진기는 백만 번 흔들릴 수 있습니다. Bouwmeester는 중력으로 인한 해독을 보거나 배제하기 위해 그가 필요한 것과 가깝습니다. "3-5 년 안에, 우리는이 거울의 양자 중첩을 증명할 것"이라고 그는 말했다. 그 후, 그와 그의 팀은 단일 광자의 영향에 민감 할 때까지 오실레이터의 환경 교란을 줄여야합니다. "이것은 작동 할 것"이라고 그는 주장했다.
비엔나 대학교의 물리학 교수 인 Markus Aspelmeyer도 똑같이 낙관적입니다. 그의 그룹은 Quantum-Gravity 인터페이스에서 3 개의 개별 실험을 개발하고 있습니다. 실험실의 경우 2 개, 궤도 위성을위한 1 개. 우주 기반 실험에서, 나노권은 가장 낮은 에너지 상태로 냉각 될 것이며, 레이저 펄스는 나노권을 두 위치의 양자 중첩에 넣어 이중 슬릿 실험과 매우 유사한 상황을 설정합니다. Nanosphere는 탐지기쪽으로 이동할 때 두 개의 간섭 피크가있는 파도처럼 행동합니다. 각 나노권은 단일 위치에서만 감지 될 수 있지만, 실험의 여러 반복 후, 나노 스피어 위치의 분포에 간섭 프린지가 나타납니다. 중력이 중첩을 파괴하면 너무 거대한 나노 스피어에는 변두리가 나타나지 않습니다.
이 그룹은 지구 표면과 비슷한 실험을 설계하고 있지만 기다려야합니다. 현재, 나노 스피어는 충분히 식을 수 없으며, 시험이 작동하기에는 지구의 중력 아래에 너무 빨리 떨어집니다. 그러나 독일의 유럽 항공 방어 및 우주 회사와 협력하고있는 아스펠 메이어 (Aspelmeyer)는“위성의 광학 플랫폼은 실제로 실험에 필요한 요구 사항을 이미 충족시키는 것으로 밝혀졌다. 그의 팀은 최근 실험에 필요한 주요 기술 단계를 보여주었습니다. 그것이 지상에서 나와 계획대로 진행되면, 그것은 나노 스피어의 질량과 디코 언어 사이의 관계를 드러 낼 것입니다.
연구원들은 지난 봄 자연 물리학에서 또 다른 지상 실험을 배치했습니다. 많은 제안 된 양자 중력 이론에는 Heisenberg의 불확실성 원리에 대한 수정이 포함됩니다. 이는 양자 역학의 초석으로 동시에 물체의 위치와 운동량을 정확하게 측정 할 수 없다고 말합니다. Heisenberg의 공식과의 편차는 중력의 영향을 받기 때문에 광학 역학적 발진기의 위치 모멘텀 불확실성에 나타납니다. 불확실성 자체는 비밀리에 작습니다 (단지 100 만 2 천만 분의 양성자 폭)이지만 Aspelmeyer 그룹의 이론가 인 Igor Pikovski는이를 감지하는 백도어 경로를 발견했습니다. 가벼운 맥박이 발생하면 발진기가 발생하면 Pikovski는 그 위상 (피크 및 트로프의 위치)이 불확실성에 의존하는 눈에 띄는 변화를 겪을 것이라고 주장합니다. 전통적인 양자 역학의 예측과의 편차는 양자 중력의 실험적 증거가 될 수 있습니다.
Aspelmeyer의 그룹은 첫 번째 실험 단계를 실현하기 시작했습니다. Aspelmeyer는 Pikovski의 아이디어는“우리에게 예상치 못한 성과 개선을 인정해야한다”고 말했다. "우리는 모두 조금 놀랐습니다."
대결
많은 물리학 자들은 양자 이론이 우세 할 것으로 기대합니다. 그들은 봄의 공이 원칙적으로 광자처럼 한 번에 두 곳에 존재할 수 있어야한다고 생각합니다. 공의 중력장은 광자의 전자기장과 마찬가지로 양자 중첩으로 스스로를 방해 할 수 있어야합니다. Aspelmeyer는“빛의 경우에 옳은 것으로 판명 된 양자 이론의 이러한 개념이 중력의 경우에 실패 해야하는 이유를 알지 못한다”고 Aspelmeyer는 말했다.
그러나 일반 상대성 및 양자 역학 자체의 비 호환성은 중력이 다르게 행동 할 수 있음을 시사합니다. 한 가지 강력한 아이디어는 중력이 중첩을 무너 뜨리는 일종의 피할 수없는 배경 소음 역할을 할 수 있다는 것입니다.
Dartmouth College의 물리 교수 인 Miles Blencowe는“공기 분자와 전자기 방사선을 제거 할 수는 있지만 중력을 선별 할 수는 없습니다. "내 견해는 중력이 기본적이고 피할 수없고 마지막으로 소송되는 환경과 비슷하다는 것입니다."
배경-노이즈 아이디어는 1980 년대와 1990 년대 헝가리의 Wigner Research Center의 Lajos Diósi와 옥스포드 대학의 Roger Penrose에 의해 고안되었습니다. Penrose의 모델에 따르면, 공간과 시간의 곡률이 중첩 중에 축적되어 결국 파괴 될 수 있습니다. 물체가 더 크거나 활력이 높을수록 중력장이 클수록 더 빠르게“중력 디코 언어”가 일어날 것입니다. 시공간 불일치는 궁극적으로 불확실성 원리와 일치하는 입자의 위치와 운동량에서 돌이킬 수없는 수준의 노이즈를 초래합니다.
Milburn은“불확실성 원칙과 양자 물리학의 수수께끼의 특징이 공간과 시간의 양자 영향으로 인한 것이라면“이것은 훌륭한 결과가 될 것입니다.”라고 Milburn은 말했습니다.
실험 테스트의 가능성에서 영감을 얻은 Milburn과 다른 이론가들은 Diósi와 Penrose의 기본 아이디어에 대한 확대되고 있습니다. 물리적 검토 편지의 7 월 논문에서 Blencowe는 중력을 일종의 주변 방사선으로 모델링함으로써 중력 탈집율에 대한 방정식을 도출했습니다. 그의 방정식에는 Planck Energy라는 양이 포함되어 있으며, 이는 가장 작은 블랙홀의 질량과 같습니다. "플랑크 에너지를 볼 때 우리는 양자 중력을 생각합니다." "따라서이 계산은이 알려지지 않은 양자 중력 이론의 요소를 다루고있을 수 있으며, 우리가 하나가 있다면, 중력이 다른 형태의 디코 언론과 근본적으로 다르다는 것을 보여줄 것입니다."
.스탬프는 그가 중력 디코 언을위한 가능한 수학적 메커니즘을 정확하게 표현하는 양자 중력의 "상관 된 경로 이론"이라고 부르는 것을 개발하고 있습니다. 전통적인 양자 역학에서, 미래의 결과의 확률은 스크린의 두 슬릿을 통한 동시 궤적과 같은 입자가 취할 수있는 다양한 경로를 독립적으로 합산함으로써 계산됩니다. 스탬프는 계산에 중력이 포함되면 경로가 연결되어 있음을 발견했습니다. "중력은 기본적으로 다른 경로 사이의 의사 소통을 허용하는 상호 작용입니다." 경로 간의 상관 관계는 해독에서 다시 한 번 발생합니다. "조정 가능한 매개 변수는 없다"고 말했다. “흔들리는 방이 없습니다. 이러한 예측은 절대적으로 확실합니다.”
회의 및 워크샵에서 이론가와 실험가들은 다양한 제안과 테스트 계획을 조정하기 위해 긴밀히 노력하고 있습니다. 그들은 상호 동기 부여 상황이라고 말합니다.
Milburn은“양자 역학과 중력의 마지막 대결에서 공간과 시간에 대한 우리의 이해는 완전히 바뀔 것입니다. "우리는 이러한 실험이 길을 이끌어 내기를 바라고 있습니다."
