Una dintre provocările majore ale fizicii moderne rămâne incompatibilitatea dintre două teorii fundamentale: relativitatea generală și mecanica cuantică. În timp ce primul explică perfect gravitația la scară largă, al doilea guvernează lumea particulelor subatomice. Cu toate acestea, aceste două teorii nu reușesc să coexiste armonios atunci când este vorba de a descrie gravitația la nivel cuantic. Un proiect inovator finanțat de NASA își propune să dezvăluie acest mister folosind senzori de încurcătură.
De zeci de ani, oamenii de știință au încercat să rezolve un puzzle complicat: cum să reconcilieze două teorii majore ale fizicii care, deși fiecare eficientă în domeniul lor, par incompatibile atunci când se încearcă să le aplice împreună. Pe de o parte, există relativitatea generală, formulată de Einstein, care explică gravitația. Conform acestei teorii, gravitația nu este o forță așa cum este adesea imaginată, ci mai degrabă o distorsiune a spațiului și timpului creată de prezența unor mase precum Pământul sau Soarele. Această deformare face ca obiectele să urmeze traiectorii curbe. Aceasta este ceea ce simțim ca „gravitație”. Funcționează foarte bine pentru a descrie scările mari, cum ar fi planetele și stelele. Pe de altă parte, mecanica cuantică guvernează lumea particulelor extrem de mici, cum ar fi atomii și electronii. La această scară, regulile sunt foarte diferite, iar mecanica cuantică reușește să descrie fenomene pe care relativitatea generală nu le poate explica.
Problema apare atunci când încercăm să aplicăm aceste două teorii în situații extreme, cum ar fi în interiorul găurilor negre sau imediat după Big Bang. Aici, relativitatea și mecanica cuantică intră în conflict. Este ca și cum am avea două legi diferite care se suprapun fără a putea coexista. Un concept cheie este principiul echivalenței. Conform acestui principiu, gravitația și accelerația ar trebui să fie același lucru: dacă te afli într-un lift în cădere liberă, nu ai simți gravitația, ca și cum ai pluti în spațiu. Acest principiu este fundamental pentru relativitatea generală. Unele teorii sugerează că la o scară foarte mică, gravitația s-ar putea comporta diferit decât ne imaginăm de obicei. Aici intervine o măsurătoare numită parametrul Eötvös, care este folosită pentru a compara modul în care se comportă gravitația și inerția (rezistența la accelerație). Dacă acest parametru arată o diferență, ar putea însemna că gravitația se comportă într-un mod nou, conform principiilor mecanicii cuantice.
Pentru a testa ipoteza că gravitația s-ar putea comporta diferit la scară cuantică, dr. Selim Shahriar de la Universitatea Northwestern a lansat un proiect ambițios finanțat de NASA. Acest proiect, numit SUPREME-GQ, își propune să testeze gravitația cuantică cu o precizie care nu a mai fost atinsă până acum. Obiectivul principal? Măsurați diferențele dintre masa gravitațională și masa inerțială cu o precizie de aproximativ 10^-20, un nivel de o mie de ori mai fin decât experimentele anterioare, cum ar fi misiunea MICROSCOPE, care a atins o precizie de 10^-15.
Inovația majoră a proiectului SUPREME-GQ se bazează pe utilizarea senzorilor de încrucișare cuantică în spațiu. Acești senzori folosesc fenomene mecanice cuantice pentru a efectua măsurători extrem de precise pe baza interferometrelor atomice. Aceste dispozitive funcționează prin împărțirea unui fascicul de atomi în mai multe traiectorii, apoi recompunându-le pentru a detecta diferențele foarte mici dintre aceste traiectorii.
În centrul acestei tehnologii se află un fenomen fascinant al mecanicii cuantice: entanglementul cuantic. Descris pe scurt, asta înseamnă că două particule pot fi legate în așa fel încât starea uneia să depindă instantaneu de starea celeilalte, chiar dacă sunt separate de distanțe enorme. În experimentul SUPREME-GQ, Dr. Shahriar și echipa sa plănuiesc să folosească atomi de rubidiu. Acești atomi vor fi împărțiți în mai multe traiectorii și încâlciți, ceea ce va face posibilă măsurarea celor mai mici abateri ale forței gravitaționale. Imaginați-vă experimentul cu pisica lui Schrödinger: este o teorie în care o pisică este simultan vie și moartă, dar devine reală doar atunci când observați pisica. În mod similar, în experimentul SUPREME-GQ, atomii aflați în stare de entanglement pot exista în mai multe stări deodată și numai măsurătorile făcute asupra lor vor dezvălui anomalii ale forței gravitaționale.
Provocarea majoră a acestui experiment este menținerea acestei stări de încurcare suficient de mult pentru a face măsurători precise. Aici intervine o altă inovație a proiectului: protocolul de compresie a ecoului generalizat. Acest protocol ar permite menținerea încordării cuantice timp de câteva minute, sau chiar mai mult, ceea ce ar fi o adevărată ispravă în fizica cuantică.
Dacă acest experiment are succes, ar putea măsura abaterile parametrului Eötvös la niveluri de precizie niciodată imaginate până acum, oferind astfel un răspuns definitiv la întrebarea compatibilității dintre relativitatea generală și gravitația cuantică. Impactul acestei tehnologii nu se oprește aici. În afară de cercetarea fundamentală a gravitației cuantice, interferometrele atomice ar putea avea aplicații practice pe Pământ. Acești senzori ultra-preciși ar putea revoluționa sectoare precum navigația spațială, sistemele de poziționare geografică și chiar tehnologiile de navigație în vehiculele terestre. Dacă acești senzori devin accesibili și funcționali, aceștia ar putea fi utilizați pentru sisteme de ghidare mult mai precise decât cele pe care le folosim astăzi.
Desigur, mai sunt multe provocări de depășit. Proiectul este încă în faza de dezvoltare și aplicarea tehnologiei cuantice în spațiu ridică multe obstacole tehnice. Cu toate acestea, cercetarea Dr. Shahriar și a echipei sale este un far de speranță în încercarea de a rezolva una dintre cele mai fascinante și importante întrebări din știința modernă.
