Страхотен пробив: откриха странни частици, които се държат като гравитони – хипотетичните „гравитационни частици“
Изследователи показаха първите пробни доказателства за съществуването на гравитоноподобни частици. Това са хипотетични частици, за които се счита, че „ придвижват “ гравитацията. Наречени „ хирални гравитонни модове “ CGM (chiral graviton modes), те са (в случая на този експеримент) групови възбуждания в полупроводников материал. Там те се държат като частици и демонстрират характерности, типични за гравитоните. Това изобретение може да помогне за възстановяване на разбирането ни за Вселената. По-конкретно то може да улесни евентуалното обединяване на общата доктрина на относителността и квантовата механика.
Гравитонът е хипотетична обикновена парченце, която е притежател на гравитацията. Предложена през 30-те години на предишния век, тя се теоретизира основно в квантовите гравитационни системи. По прилика може да се съпостави с гумената лента в прашката, която държи камъка и предава силата, нужна за изтласкването му в мечтаната посока. По този метод колкото повече гравитони има в едно гравитационно поле, толкоз по-мощно е то.
Но макар десетилетията на проучвания тези прословути частици по този начин и не са открити. Публикуваната през 1993 година работа на физика Арон Пинчук (починал през 2022 г.) докара до откриването на частиците, които се приближават най-вече до тях. Продължавайки работата му, неговият екип и някогашните му възпитаници в този момент дават първите пробни доказателства, които най-сетне могат да доведат до откриването на тези неуловими частици.
„ Нашият опит е първото пробно удостоверение на концепцията за гравитона, постулирана от пионерите на квантовата гравитация от 30-те години на предишния век, в система от кондензирана материя “,
обяснява в известие за пресата Линдзие Ду, някогашен постдокторант от Колумбийския университет, който в този момент работи в университета Нанкин в Китай. Изследването е оповестено в списание Nature.
Характеристики, присъщи за гравитоните
Научната работа на Пинчук насочва към опцията за разкриване на специфичен тип частици в характерен тип кондензирана материя, наречена течност с дробен квантов резултат на Хол (FQHE).
„ Арон е пионер в проучването на екзотични етапи на материята, в това число зараждащи квантови етапи в твърдотелни наносистеми, като употребява спектри на ниско ситуирани групови възбуждания “,
обяснява съавторът на проучването Урсула Вурстбауер от Университета в Мюнстер, Германия.
FQHE течността е система от електрони, които мощно взаимодействат между тях при доста ниски температури и доста високи магнитни полета. С други думи, тази течност не е хомогенна, а демонстрира групови придвижвания на електроните, които могат да доведат до възбуждания под въздействието на светлината.
Този вид течност е разказана и теоретично благодарение на квантовата геометрия и математически концепции, използвани за субатомните мащаби. Въпреки това до момента нямаше пробни техники за потвърждаване на тези хипотези.
„ От теоретична позиция теорията беше съвсем приключена, само че що се отнася до опитите, не бяхме сигурни “,
казва пред New Scientist Зию Лиу от Колумбийския университет, който също е взел участие в проучването.
В своя опит Лиу и сътрудниците му приспособяват препоръчаната от Пинчук преди 30 години техника, наречена „ резонансна нееластична дифузия при ниска температура “. Тази техника мери придвижването на фотоните при взаимоотношението им с даден материал, което разрешава да се проучват неговите свойства. В новото проучване обаче се употребява кръгово поляризиран лазер, при който фотоните имат характерен спин. Когато тези поляризирани фотони взаимодействат с парченце FQHE (която също има спин), техният спин се трансформира доста. За да произведат FQHE течност и да следят тези резултати, откривателите употребяват двуизмерна полупроводникова повърхнина от галиев арсенид.
Опростена скица на употребяваната апаратура Те са следили възбуждания, чиито характерности съответстват с тези, предсказани от квантовата геометрия за CGM, като спин-2. Тези свойства са теоретично потвърдени единствено за гравитоните. Подобно на гравитоните, CGM са резултат от квантови метрични флуктуации, при които пространство-времето е случайно разтеглено в разнообразни направления. Това допуска, че теорията, която стои зад тези резултати, може евентуално да свърже физиката на високите сили (която работи в най-големите мащаби във Вселената) и физиката на кондензираната материя (която учи материалите и атомните взаимодействия). Тя също по този начин предлага евентуално обединяване на два фундаментално несъвместими правилото: общата релативност и квантовата механика.
Важно е обаче да се означи, че тази пробна система не отразява пространство-времето като такова. Всъщност в тази система електроните са лимитирани в двуизмерното пространство и се движат доста по-бавно от електроните, ръководени съгласно постулатите на теорията на относителността. Следователно този пробен протокол може да се употребява за доказване на някои теории за квантовата гравитация, само че не и за проучване на всички квантови феномени, протичащи в пространство-времето в галактически мащаби. Независимо от това специалистите настояват, че методът на поляризираната светлина може да се употребява с флуиди на FQHE на по-високи енергийни равнища от тези, изследвани в това изследване. А това уголемява обсега на приложението му към други квантови системи.
Проблемът за квантовата гравитация и до момента наподобява нерешим. Той е обвързван с нашите способи за пояснение на Вселената. Класическата физика благодарение на гравитацията изяснява процесите в множеството мащаби. Но при доста дребни мащаби, до атомно и субатомно равнище, гравитацията не може да изясни следените феномени. За да изследват тези мащаби, физиците употребяват квантовата механика. Но както класическата физика не се ползва за квантовите мащаби, по този начин и квантовата механика не работи в мащабите на класическата физика. Въпреки това Вселената си действа, което кара учените да търсят способи да разрешат тези несъгласия.
