Gravitația, forța care menține planetele pe orbită și ne ține legați de sol, este una dintre cele patru forțe fundamentale ale Universului. Deși avem o înțelegere profundă a celorlalte trei (forța electromagnetică, forța tare și forța slabă), gravitația rămâne o enigmă în cadrul fizicii cuantice. Oamenii de știință au căutat de multă vreme să o înțeleagă la scară cuantică, în special prin căutarea unei particule ipotetice, numită graviton, despre care se crede că este purtătoarea forței gravitaționale. Recent, a fost propusă o nouă abordare experimentală pentru detectarea acestor gravitoni, care promite să dezvăluie aspecte ascunse ale gravitației.
Gravitația este o forță fundamentală care acționează între toate obiectele care au masă. Este responsabilă pentru atracția pe care o simțim spre pământ și pentru modul în care obiectele cerești interacționează în spațiu. Spre deosebire de alte forțe, cum ar fi electromagnetismul, care pot fi explicate în termeni de particule elementare, gravitația este adesea descrisă prin curbura spațiu-timpului, conform teoriei relativității generale a lui Albert Einstein. Această teorie afirmă că obiectele masive, precum planetele și stelele, distorsionează spațiu-timp în jurul lor și creează o „groapă” în care sunt atrase alte obiecte. Astfel, gravitația nu este doar o forță de atracție, ci și un efect al modului în care masa influențează însăși structura Universului, modelând traiectoriile corpurilor cerești și determinând formarea galaxiilor, stelelor și sistemelor planetare. În ciuda prezenței sale universale și a rolului crucial, gravitația nu este bine explicată de fizica cuantică. Această ramură a fizicii, care descrie interacțiunile particulelor la o scară foarte mică, a reușit de fapt să descrie trei dintre cele patru forțe fundamentale ale Universului datorită particulelor mediatoare. De exemplu, fotonul este responsabil pentru forța electromagnetică, în timp ce gluonii și bosonii W și Z explică forța tare și, respectiv, forța slabă. Pentru gravitație, nu a fost identificată nicio particulă mediatoare, ceea ce ne aduce înapoi la graviton. Potrivit mai multor teoreticieni, această particulă ipotetică ar fi responsabilă pentru forța gravitațională. Cu toate acestea, încă nu a fost detectat direct.
Pentru a detecta acești gravitoni, o echipă de cercetători condusă de profesorul Igor Pikovsky de la Institutul de Tehnologie Stevens propune o nouă abordare experimentală, care a fost prezentată într-un articol publicat în Nature Communications. Metoda lor folosește rezonatoare acustice, dispozitive grele, cilindrice, pentru a detecta vibrațiile cauzate de gravitoni. Această abordare este inspirată de principiul efectului fotoelectric care a fost crucial în dezvoltarea teoriei cuantice a luminii de către Albert Einstein.
Teoria din spatele acestui experiment se bazează în principal pe ideea că, dacă ar exista, gravitonii ar interacționa cu materia la nivel cuantic. Atunci când un graviton este absorbit, ar provoca, prin urmare, o schimbare discretă a energiei rezonatorului. Prin utilizarea rezonatoarelor răcite la temperaturi extrem de scăzute, pentru a minimiza zgomotul de fond, cercetătorii speră să detecteze aceste schimbări de energie ca vibrații specifice în rezonatoare.
Pentru a confirma această metodă, cercetătorii intenționează să folosească date de la detectoare de unde gravitaționale precum LIGO. Acesta din urmă este capabil să detecteze undele gravitaționale din fenomene cosmice majore, cum ar fi coliziunile găurilor negre sau stele neutronice. Comparând datele obținute cu vibrațiile rezonatoarelor, cercetătorii speră să identifice semnăturile gravitonilor.
Această nouă abordare ar putea revoluționa înțelegerea noastră asupra gravitației și fizicii cuantice. Detectarea directă a gravitonilor ar face într-adevăr posibilă testarea teoriilor existente asupra gravitației cuantice și ar putea deschide calea către descoperiri fundamentale despre structura Universului. Cu toate acestea, rămân mai multe provocări. Detectoarele necesare acestui experiment trebuie să fie extrem de sensibile și necesită condiții experimentale foarte precise. În plus, rezonatoarele trebuie să fie capabile să detecteze semnale foarte slabe, ceea ce reprezintă o provocare tehnică considerabilă.
Oamenii de știință sunt optimiști, dar precauți. Conform profesorului Pikovsky, deși suntem încă departe de a rezolva toate misterele gravitației cuantice, primii pași făcuți grație acestor noi tehnici ne apropie de această înțelegere. Capacitatea de a măsura niveluri discrete de energie în rezonatoarele acustice ar putea oferi indicii cruciale despre natura gravitonilor și ar putea ajuta la rafinarea modelului nostru al Universului.
