Gravitația cuantică, testabilă în laborator?

Iubesc fizica atunci când eliberează. Alergând între serviciu şi casă, oscilând între un ecran de sticlă şi altul de plastic, am prea uşor senzaţia că poveştile lor formează întreaga lume. Gălăgia ascunde gânditorii care construiesc lumea de mâine, tot aşa cum zgomotul bătăliilor mari ale istoriei a ascuns gânditorii ce au construit lumea noastră. Iar azi, cei mai avansaţi sunt cei care studiază gravitaţia cuantică.
De ce zic asta? Pentru că legile pe care le vom afla despre gravitaţia cuantică sunt cele care vor defini ţesătura spaţiului microscopic, cele care vor rescrie cauzalitatea şi cele care vor redefini identitatea. Gândiţi-vă, cum am putea fi noi „ceva” dacă nu ne-am fi păstrat identitatea de la o zi la alta? Iar de asta este responsabilă, în primă instanţă, mecanica newtoniană. Aici obiectele sunt bine definite, localizate, iar atracţia gravitaţională dintre ele poate fi urmărită clar.
Realitatea este, însă, un actor ce îşi schimbă măştile. La un nivel mult mai mare, cel al stelelor masive şi al galaxiilor, atracţia gravitaţională se dovedeşte a fi o consecinţă a curburii spaţiu-timpului. Gravitaţia lui Newton este înlocuită cu teoria relativităţii a lui Einstein. Viteza luminii devine o limită a propagării oricărui efect, iar spaţiul se transformă într-o saltea elastică. Spaţiul se întinde odată cu expansiunea universului şi vibrează atunci când poartă unde gravitaţionale.
La un nivel mult mai mic, cel al particulelor elementare, teoria lui Newton este înlocuită de mecanica cuantică. Electronul se află, simultan, în toate colţurile atomului iar întâmplarea intervine în mişcările sale. Alte particule vin la viaţă din vidul cuantic, iar unele dintre ele rămân corelate şi se influenţează chiar şi atunci când ajung la capete diferite ale universului.
Înainte ca filozofii să dea sens acestor noi măşti ale realităţii (cosmice sau microscopice), fizicienii le-au rezolvat ecuaţiile. În marile acceleratoare de particule, când calculează traiectoria particulelor elementare, ei folosesc legile cuanticii. Pe cer, urmăresc mişcarea razelor de lumină pe spaţiul curb folosind legile teoriei relativităţii generale. Ori una, ori alta, pentru că nu au încă o teorie care să le unifice. O astfel de teorie ar purta numele de „gravitaţie cuantică”, pentru că unifică gravitaţia (echivalentă cu teoria relativităţii generale) cu mecanica cuantică. La o sută de ani după apariţia celor două teorii, nu numai că fizicienii nu ştiu cum arată combinaţia lor, dar nici măcar nu cad de acord cum ar putea să arate!
O parte dintre fizicieni continuă să propună soluţii teoretice pentru gravitaţia cuantică, care să aibă sens şi să fie acceptate, tot aşa cum teoria bosonului Higgs era cunoscută şi acceptată cu 50 de ani înainte de a fi descoperită particula Higgs. Alţii însă, mai pragmatici, caută să răspundă la întrebare experimental. Au însă o problemă fundamentală: forţa gravitaţională este cu 40 de ordine de mărime mai slabă decât celelalte forţe ale naturii! De aceea atracţia gravitaţională dintre două particule nu poate fi încă măsurată în acceleratoarele de particule, acolo unde sunt investigate proprietăţile cuantice.
Esenţa problemei este următoarea: mecanica cuantică ne spune că, în principiu, putem pune Pământul într-o stare cuantică, în care se află simultan aici şi câţiva metri mai la dreapta (starea se numeşte de „superpoziţie cuantică”). Teoria relativităţii ne spune că Pământul curbează spaţiul. După ce unificăm teoriile, ce se întâmplă cu spaţiul? Va fi şi el, simultan, în două forme curbe ale sale? Ce se întâmplă cu un măr aflat pe suprafaţa Pământului? Va fi atras el din două direcţii? Se va afla, simultan, în două universuri generate de cele două spaţii curbe?
Poate că civilizaţiile extraterestre pot pune planete în superpoziţie cuantică. La noi, cel mai mare obiect pus în superpoziţie cuantică este o lamelă de câteva zeci de micrometri (dimensiunea unui fir de păr, abia cât să se vadă cu ochiul liber). În anul 2010, Andrew Cleland (atunci la Universitatea Santa Barbara din California) a reuşit să pună o astfel de lamelă într-o stare de superpoziţie cuantică. Astfel, un capăt al ei se afla în două locuri simultan, separate de o distanţă mai mică decât dimensiunea unui atom (mai puţin decât un nanometru). Lamela este echivalentul „planetei” noastre din experiment. Pasul doi ar fi să vedem cum atrage ea gravitaţional un alt obiect („mărul”), din cele două locaţii, unde se află în acelaşi timp. Îl va atrage din stânga, din dreapta, simultan din ambele direcţii? Atunci am putea vedea cum se comportă cuantic câmpul gravitaţional generat de lamelă cuantică.
Clasic (nu cuantic), cât de bine putem măsura forţele de atracţie gravitaţională? În anul 2003, fizicienii C.Long şi John Price au reuşit să investigheze forţa clasică de atracţie a unor lamele similare, mai bine zis variaţia forței cu distanţa. Au putut vedea că forţa gravitațională cu care lamela atrage obiecte variază aşa cum prezice Newton, pe distanţe de câţiva micrometri distanţă (de un milion de ori mai mari decât dimensiunea atomului). Dar, pentru a vedea dacă şi lamela cuantică se supune aceleiaşi legi newtoniene (sau deviază) ar trebui să investigheze forţa pe o distanţă comparabilă cu diametrul unui atom. Atenţie, distanţa este cu 6 ordine de mărime mai mică (forta va fi cu 12 ordine de mărime mai mică). Vedem că mai au mult de lucru, pentru a-şi îmbunătăţi măsurătorile.
În alte locuri din lume, cercetătorii se străduiesc să măsoare direct forţa de atracţie gravitaţională, nu numai variaţia ei cu distanţa. Cele mai mici obiecte pentru care a fost măsurată forţa sunt de ordinul a câteva zeci de grame, mult peste greutatea de nanograme a lamelei. Fizicienii progresează însă şi în acest domeniu, datorită ingineriei nanomaterialelor. Ea face posibilă construcţia de aparate în miniatură, atom cu atom. Recent, Markus Aspelmeyer (Austria) a propus o astfel de tehnică pentru a măsura forţa de atracţie gravitaţională a unor obiecte mici, având doar câteva miligrame (vezi figura). Chiar şi aşa însă, încă sunt la şase ordine de mărime distanţă de greutatea de nanograme a lamelelor cuantice.

Figura 1. Schiţa experimentului propus de Markus Aspelmeyer. În dreapta, un actuator (d) mişcă o greutate M (c). În stânga, o masă de test m (a) simte vibraţiile masei M (c) prin intermediul forţei de atracţie gravitaţională. Masa m (a) este lipită de o membrană (b) a cărei mişcare este monitorizată de laserul (e). Reprodus din articolul Jonas Schmöle et al 2016 Class. Quantum Grav. 33 125031 (Creative Commons Attribution 3.0 licence)

În ciuda ordinelor de mărime diferenţă, vedem că unii cercetători se apropie de ceea ce părea înainte imposibil: testarea gravitaţiei cuantice în laborator. Să fim atenţi, însă: astfel de măsurători testează forţa de atracţie gravitaţională, nu direct curbura spaţiului. Se prea poate ca ele să descopere că şi câmpul gravitaţional se comportă cuantic, ca şi câmpul electromagnetic, fără a putea spune ceva despre spaţiul însuşi. Este un scenariu de coşmar: dacă este greu de măsurat forța gravitațională cu care o lamelă atrage obiectele din jur, vă daţi seama cât de greu va fi să se măsoare cât de mult curbează ea spaţiul? Gândiţi-vă la Pământ. Forţa lui de atracţie o simţim, dar curbura spaţiului nu o vedem.
Printre noi, sunt doar câteva sute de oameni care se străduiesc să măsoare gravitaţia cuantică. Cercetători ca Markus Aspelmeyer propun aparate din ce în ce mai fezabile, iar teoreticieni ca Sabine Hossenfelder (http://backreaction.blogspot.com) caută să vadă cum vom interpreta rezultatele. În zgomotul societăţii, efortul lor pune bazele unei lumi care, peste mii de ani, va arăta mult diferit faţă de cea de azi. Iar asta nu neapărat pentru că tehnologia va fi alta, ci pentru că înţelegerea mecanismelor ascunse ale cosmosului va ridica întrebări fundamentale şi despre propria noastră identitate.
Multumesc Cristi Stoica pentru recenzia tehnica.