Wetenschappers van verschillende universiteiten werken samen aan een experiment genaamd "MAST-QG" om te bepalen of de zwaartekracht kwantumeigenschappen heeft. Het experiment omvat het laten zweven van microdiamanten in een staat van kwantumsuperpositie en heeft tot doel de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica te combineren. Hoewel het onderzoek complex is, kan het ons begrip van de zwaartekracht fundamenteel veranderen en brede implicaties hebben voor de natuurkunde.
Wetenschappers ontwikkelen een experiment om te testen of de zwaartekracht kwantum is - een van de meest diepgaande vragen in ons universum. In de kwantummechanica, die het gedrag van atomen en moleculen beschrijft, gedragen objecten zich anders dan alles wat we kennen: ze kunnen zich in een kwantumsuperpositie van twee plaatsen tegelijk bevinden. De algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica zijn onze twee meest fundamentele beschrijvingen van de natuur. De algemene relativiteitstheorie verklaart de zwaartekracht op grote schaal, terwijl de kwantummechanica het gedrag van atomen en moleculen verklaart.
Nu werken wetenschappers aan een manier om te bepalen of de zwaartekracht zich op deze manier gedraagt door kleine diamanten in een vacuüm te laten zweven. Als de zwaartekracht kwantum is, zou het diamanten kunnen ‘verstrengelen’ – een interessant fenomeen dat twee objecten stevig aan elkaar kan binden op een manier die in het dagelijks leven waarschijnlijk niet zal gebeuren.
Dit onderzoek zal mensen helpen de mysteries van zwarte gaten, de oerknal en het universum te begrijpen.
De uitdaging van een verenigde theorie
De belangrijkste open vraag in de fundamentele natuurkunde is misschien wel de juiste manier om de twee theorieën te combineren: het bepalen of de zwaartekracht op kwantumniveau werkt. Hoewel theoretische studies veel mogelijkheden suggereren, zullen experimenten nodig zijn om het gedrag van de zwaartekracht volledig te begrijpen.
Honderd jaar lang leken experimenten met de kwantumaard van de zwaartekracht buiten bereik, maar nu bundelen wetenschappers van de University of Warwick, University of London, Los Angeles, Yale University (VS), Northwestern University (VS) en de Universiteit van Groningen (Nederland) hun krachten om deze puzzel te onderzoeken.
Hun nieuwe idee is om twee microdiamanten in een vacuüm te laten zweven, zodat elke diamant zich tegelijkertijd in een kwantumsuperpositie van twee locaties bevindt. Dit contra-intuïtieve gedrag is een fundamenteel kenmerk van de kwantummechanica.
Elke diamant kan worden gezien als een kleinere versie van Schrödingers kat. Hoofdonderzoeker professor Gavin Morley van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Warwick legde uit: ‘Schrödingers kat was een gedachte-experiment dat suggereerde dat het heel vreemd zou zijn als alledaagse voorwerpen (en huisdieren!) zich tegelijkertijd in een kwantumsuperpositie van twee plaatsen zouden kunnen bevinden, en we wilden de grenzen van dit idee testen.
Atomen en moleculen zijn met succes in deze superpositietoestand terechtgekomen, maar we wilden dit met grotere objecten doen. Onze diamanten bestaan uit een miljard atomen of meer. Om de kwantumaard van de zwaartekracht te testen, zullen we zoeken naar zwaartekrachtinteracties tussen twee van dergelijke diamanten.
Als de zwaartekracht kwantum zou zijn, zou het twee diamanten kunnen verstrengelen. Verstrengeling is een uniek kwantumeffect waarbij twee dingen nauwer met elkaar verbonden zijn dan in ons dagelijks leven. Als twee munten bijvoorbeeld met elkaar verstrengeld zouden kunnen raken, zou je kunnen merken dat ze elke keer dat je ze omdraaide op dezelfde manier zouden landen, ook al was het onmogelijk om van tevoren te weten of het kop of munt zou zijn. "
Uitdagingen en impact
Er zijn veel uitdagingen bij het realiseren van dit idee, waar het team tijdens het project naar zal kijken. "We moeten bijvoorbeeld alle interacties tussen nanodeeltjes elimineren, behalve de zwaartekracht, die zo zwak is, dus dat is een enorme uitdaging", zegt dr. David Moore van Yale University.
Professor Morley, oprichter en directeur van Warwick Quantum, een nieuw interdisciplinair initiatief op het gebied van onderzoek naar kwantumtechnologie, voegde hieraan toe: “Voor mij is de belangrijkste vraag in de natuurkunde op dit moment het ontwikkelen van een experiment dat de kwantumeigenschappen van de zwaartekracht kan testen. Dit nieuwe project zal onze voortgang richting dit doel versnellen.”
Professor Sujato-Bose van de Universiteit van Londen, Los Angeles, merkte op: "Het belang van experimenten die de juiste combinatie van kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie kunnen onderzoeken, kan voor natuurkundigen niet genoeg worden benadrukt. Mensen die kwantumzwaartekrachttheorieën bestuderen, zoals de snaartheorie, concentreren zich meestal op hoogenergetische, zwarte gaten die in de buurt en bij de oerknal zijn gebeurd. Ons werk is daarentegen uitgevoerd in een energiezuinige omgeving op aarde, maar het zal ook waardevolle informatie opleveren over de vraag of zwaartekracht kwantumzwaartekracht is. Bovendien zal dit experiment worden uitgevoerd in een omgeving met lage energie op aarde, maar het zal ook waardevolle informatie opleveren over de vraag of zwaartekracht kwantumzwaartekracht is. kan ook worden gezien als een bevestiging van de algemene voorspellingen van elke kwantumzwaartekrachttheorie bij lage energieën."
Anupam-Mazumdar, professor aan de Universiteit van Groningen, voegde hieraan toe: "Op weg naar het begrijpen van de kwantumaard van de zwaartekracht kunnen we misschien andere aspecten van de fundamentele natuurkunde testen, zoals singuliere afwijkingen op korte afstand van de Newtoniaanse zwaartekracht."
"Dit is een uitdagend experiment, en dit project is een voorloper bij het oplossen van enkele van de belangrijkste technische uitdagingen om deze tests van kwantumaspecten van de zwaartekracht werkelijkheid te maken", zegt Andrew Geraci, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Northwestern University.
Het project heet "MAST-QG: Getuige zijn van de macroscopische superpositie van de kwantumaard van de zwaartekracht."
Samengestelde bron: ScitechDaily