- Det er et virkelig kult eksperiment, sier Anders Kvellestad til forskning.no. Kvellestad er teoretisk fysiker ved Universitetet i Oslo, og han sikter til ny forskning som skal starte opp i Storbritannia.

Det er et relativt lite, men komplekst fysikkeksperiment som beskrives på hjemmesidene til University of Warwick.

Det involverer ikke gigantiske, kilometerlange rør hvor partikler kolliderer i nær lysets hastighet. Det bruker heller ikke satellitter som kikker på elektromagnetisk stråling fra universets tidligste tider.

Men hvis eksperimentet går som forskerne håper, kan det kanskje gi fysikerne noen hint om noe helt grunnleggende i universet: Tyngdekraftens natur.

Det involverer to ørsmå diamanter som må holdes nesten helt isolert fra både hverandre og verden rundt. Den eneste kraften som skal virke mellom dem, er tyngdekraften – som fysikken har store problemer med.

Fysikk som fagfelt sitter fast på et vis. Ingen forstår hva tyngdekraften egentlig er for noe – på et fundamentalt plan.

Forhåpningen er at dette eksperimentet kan gi et hint om hvorvidt tyngdekraften faktisk er et kvantemekanisk fenomen - eller om det er noen andre muligheter som vil åpne seg.

Kvellestad sier at det vil være en svært stor overraskelse hvis tyngdekraften ikke oppfører seg sånn som fysikerne antar.

Men det er en lang vei dit.

Einstein og kvantefysikk

I snart hundre år har det vært en dyp sprekk mellom to svært suksessrike teorier om hvordan naturen henger sammen – og sprekken har blitt dypere.

Einstein viste hvordan universet bøyes og vrenges av materie på de store og ekstreme skalaene. Relativitetsteorien forutså sorte hull, tidsutvidelse og gravitasjonslinser, bare for å nevne noen eksempler som faktisk har vist seg å finnes i universet – ikke bare i teoriene.

På den annen side har kvantemekanikken bygd opp ekstremt presis kunnskap hvordan universet oppfører seg på veldig korte skalaer - helt ned til de minste, kjente bestanddeler: Elementærpartiklene. Mange tiårs arbeid har ført fram til standardmodellen, som sier noe om hva vi kan vite om de forskjellige partiklene og hvordan de oppfører seg.

Du kan lese mer på forskning.no om hva en elementærpartikkel kanskje er for noe.

Men disse to teoriene passer ikke sammen. Teorien til Albert Einstein beskriver tyngdekraften som noe som oppstår på grunn av hvordan selve romtiden endres, strekkes og vris på av ting i verden – effekten blir spesielt tydelig med digre ting som for eksempel jorda.

Men tyngdekraft fungerer på alle nivåer, for eksempel mellom deg, stolen du sitter i, solen, månen og hva enn annet som finnes i universet.

Dette kalles klassisk fysikk, i motsetningen til kvantefysikk.

– Klassisk så beskriver vi tyngdekraften som deformering av romtiden.

Tyngdekraften har ikke blitt funnet igjen på kvantenivået, og Einsteins beskrivelser av tyngdekraften fungerer ikke på kvantenivået – matematikken bryter sammen. Den har ingen egen partikkel i Einsteins beskrivelse.

Men de fleste fysikere tror at det er noe mer ved tyngdekraften.

Er den kvantefysisk?

- De aller fleste fysikere tror nok at tyngdekraften dypest sett er kvantefysisk,  sier Anders Kvellestad til forskning.no. 

Han understreker at tyngdekraft ikke er spesialiteten hans, men vi har snakket om implikasjonene av eksperimentet som skal gjøres.

Det finnes flere teoretiske modeller som forklarer hvordan tyngdekraften kan være kvantemekanisk.

En av hovedgrunnene til at fysikere flest tror at tyngdekraften faktisk er sånn, er at kvantemekanikken har forklart alle de andre fundamentale interaksjonene, som for eksempel den elektromagnetiske kraften.

Fotonet – lyspartikkelen – bærer den elektromagnetiske kraften. Og fotonet er så godt forstått at menneskeheten bruker fotoner for å sende ubeskrivelige mengder informasjon mellom datamaskiner, telefoner, biler og mye annet i den moderne verden.

Test selv hvor svak tyngdekraften er

Hvis tyngdekraften er en kvantemekanisk kraft, har den en partikkel. Dette er altså det hypotetiske gravitonet.

- Kvantefysisk forventer vi nettopp en kvant, sier Kvellestad.

En kvant beskriver en diskret energipakke som kan forstås som en partikkel, men ingen har målt tyngdekraft-partikkelen ennå.

– Men tyngdekraften er en så svak kraft.

Du kan selv kjenne hvor svak tyngdekraften er, kun ved å reise deg fra en stol. Dine muskler er nok til å jobbe imot hele jordens masse.

Den elektromagnetiske kraften, som altså er ansvarlig for både elektrisitet og magnetisme, er 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 ganger kraftigere.

Gravitasjonen er så svak at det kanskje ikke er praktisk mulig å gjøre direkte målinger av partikkelen.

For å finne noe så flyktig, trengs det ekstreme energier. Denne utregningen viser at man trenger en partikkeldetektor med samme masse som planeten Jupiter for å ha en god sjanse for å måle gravitonet – og selv da er det liten sjanse. Det er rett og slett ikke praktisk mulig, ifølge forskerne bak den artikkelen.

Det finnes teoretiske modeller som sier at man kan se tegn etter kvantetyngdekraft i mye mindre partikkelakselleratorer som LHC ved CERN i Sveits, men det har altså ikke blitt funnet ennå.

Men hvordan skal forskerne bruke diamanter for å teste tyngdekraften?

lES OGSÅ

Youtuber oppdaget spektakulært lysfenomen

Sammenfiltring

Dette er komplisert, og forskerne bruker kvantemekaniske prinsipper her. Disse prinsippene er ikke-intuitive å snakke om, fordi de ligger langt utenfor erfaringene på vår skala i universet.

Forskerne skal bruke to mikroskopiske diamanter i et laboratorium. Diamantene skal isoleres så komplett fra omverdenen og hverandre at det eneste som skal fungere mellom dem, er tyngdekraften.

Dette er det sentrale i eksperimentet: Hvis tyngdekraften fører til en kvantemekanisk kobling mellom de to diamantene, vet forskerne at tyngdekraften er kvantemekanisk. Hvis denne koblingen ikke skjer, er ikke tyngdekraften kvantemekanisk.

Denne koblingen kalles sammenfiltring. Dette er et rent kvantemekanisk fenomen hvor egenskaper ved flere partikler eller ting blir smurt over i hverandre, og de knyttes sammen på et vis som ikke har noen gode sammenligninger med ting på vår skala.

Det samme objektet?

Et ofte brukt eksempel er to mynter. Hvis de to myntene er sammenfiltret, vil den ene mynten vise kron mens den andre viser mynt – uansett hvor myntene er. De må på et vis sees på som den samme mynten, selv om myntene er på forskjellige steder.

– Når vi kaller partiklene sammenfiltret, så må man se på partiklene som samme objekt. Når du har målt noe på den ene, så bestemmer du noe på den andre, sa fysiker Bjørn Samset til forskning.no i forbindelse med Nobelprisen i fysikk i 2022 – som gikk til forskere som har vist sammenfiltring i laboratoriet.

Men sammenfiltring er ikke noe som bare skjer i laboratoriet. Det skjer overalt, hele tiden. 

Siden alt i fysikken - med et mulig unntak for selve gravitasjonen - ser ut til å følge kvantefysiske lover, er sammenfiltring noe helt sentralt som påvirker alle partikler – også de som bygger opp deg og meg.

Noen fysikere argumenterer for at sammenfiltring er nettopp det som gjør at alt det «rare» ved kvanteverdenen vaskes vekk, som Anders Kvellestad kaller det, og gir opphav til den virkeligheten vi kjenner.

Kvellestad beskriver det som at du trenger laboratorie-forsøk for å begrense denne universelle sammenfiltringen.

Du må rett og slett sørge for at det bare er tyngdekraften mellom disse diamantene som påvirker hverandre, og ikke noe annet som kan forstyrre resultatet.

Og for å gjenta på nytt: Tyngdekraften er neste uforståelig svak. 

Dette vil bli veldig vanskelig, noe forskeren David Moore ved Yale-universitetet understreker i denne pressemeldingen om forsøket.

Forskerne skal bruke vakuum og lasere for å holde diamantene på plass, men det er mange praktiske utfordringer med et sånt eksperiment, som forskerne sannsynligvis kommer til å bruke lang tid på. Noe av den teoretiske bakgrunnen for eksperimentet beskrives i denne forskningsartikkelen publisert i 2021.

Faglig debatt

Det er nok lenge til vi får resultatet fra dette eksperimentet, men det vil helt sikkert utløse faglig debatt, mener Kvellestad.

Enten viser eksperimentet at tyngdekraften oppfører seg slik fysikerne antar – at det er en kvantefysisk effekt, og andre, alternative forklaringer kan kanskje lukes vekk.

Som sagt finnes det flere teoretiske forklaringer på kvantegravitasjon, men dette eksperimentet sier ingenting om hvilke teoretiske modeller som er mer sannsynlige eller ikke. Eksperimentet gir bare et ja eller nei-svar. 

Alternativt får forskerne et negativt resultat, noe som ville vært svært oppsiktsvekkende, mener Kvellestad.

– Muligheten for at gravitasjon ikke kan sammenfiltre systemer kan potensielt ha veldig mye å si.

Dette kan kanskje gi en oppsving for teorier som behandler gravitasjon som noe annet enn en kvantefysisk fenomen.

Men uansett vil det være en kjempeprestasjon hvis forskerne klarer å faktisk vise sammenfiltring – eller ikke-sammenfiltring – i dette eksperimentet, forteller Anders Kvellestad. Det vitner om en ekstrem presisjon.

- Det pusher grensene for hvor små effekter vi klarer å detektere.

Så gjenstår det å se om denne forskergruppen klarer å luke ut alle potensielle feilkilder og faktisk få et definitivt resultat fra dette eksperimentet.

LES OGSÅ

Ekstremt rask partikkel fra verdensrommet er et kosmisk mysterium

Ny forskning på antimaterie: – Det er et enormt resultat