Fyzici se po desetiletí pokoušeli vytvořit model kvantové gravitace, který by kvantum sjednotil
Některé modely však předpovídají účinekkteré lze vyšetřovat v laboratoři: mírné porušení základního kvantového principu známého jako Pauliho vylučovací princip. Určuje například, jak jsou elektrony uspořádány v atomech. Právě na tom pracují zaměstnanci projektu podzemních laboratoří INFN pod pohořím Gran Sasso v Itálii. Jejich cílem je hledat známky záření způsobené takovým porušením v podobě atomových přechodů zakázaných Pauliho principem.
Ve dvou článcích publikovaných v časopisech Physical Review Letters a Physical Review D vědci popsali, zda uspěli.
Jak funguje Pauliho princip?
Ve školních hodinách chemie se učí, že elektronyuspořádané v atomech pouze určitým způsobem. Ukazuje se, že je to způsobeno Pauliho vylučovacím principem. Ve středu atomu je atomové jádro obklopené orbitaly s elektrony. Například první orbital obsahuje pouze dva elektrony.
Pauliho vylučovací princip, formulovanýRakouský fyzik Wolfang Pauli v roce 1925 prohlásil, že žádné dva elektrony nemohou mít stejný kvantový stav. Takže v prvním orbitalu atomu mohou mít dva elektrony opačně orientované rotace. Tato kvantová vnitřní vlastnost je obvykle znázorněna jako osa rotace nahoru nebo dolů, ačkoli elektron nemá osu v doslovném smyslu.
Kvantová gravitační fotonová rasa. Foto: NASA
V podstatě to znamená, že samotná hmota nemůžeprojít jiným. Jak vědci vysvětlují, funguje to všude - "ty, já, jsme založeni na Pauliho vylučovacím principu." Nejjednodušším příkladem tohoto zákona je skutečnost, že lidé nemohou procházet zdmi.
Tento princip platí pro všechny elementárníčástice, které patří do stejné rodiny jako elektrony a jsou známé jako fermiony. To bylo matematicky odvozeno ze základní věty známé jako věta o spinové statistice. Experimentálně byl také potvrzen Pauliho vylučovací princip. Až dosud se předpokládalo, že to platí pro všechny fermiony. Pauliho vylučovací princip je jedním ze základních principů Standardního modelu částicové fyziky.
Porušení zásady
Ale podle některých spekulativních teoriíkteré přesahují standardní model, může být tento princip porušen. Po desetiletí hledali fyzici základní teorii reality. Standardní model je vynikající ve vysvětlení chování částic, interakcí a kvantových procesů na mikroúrovni. Nezahrnuje však gravitaci.
Fyzici se tedy snaží vyvinout sjednocujícíteorie kvantové gravitace, jejíž některé verze předpovídají, že různé vlastnosti, které jsou základem Standardního modelu, jako je Pauliho vylučovací princip, mohou být za extrémních okolností porušeny.
Například mnohé z těchto poruch jsou přirozenése vyskytují v tzv. nekomutativních teoriích a modelech kvantové gravitace. Jednou z nejpopulárnějších je teorie strun. Základní částice popisuje jako drobná vibrující vlákna energie v multidimenzionálních prostorech. Některé modely teorie strun také předpovídají takové porušení.
Obtížnost ověření
Tradičně se věří, že takové předpověditěžko kontrolovat. Kvantová gravitace je „organická“ pouze pro místa, kde se obrovské množství gravitace soustředí do malinkého prostoru. Nejjednodušším příkladem je střed černé díry, místo zrodu vesmíru.
Autoři nové studie však přišli s alternativou. Vliv porušení vylučovacího principu a věty o spinové statistice lze detekovat v laboratorních experimentech na Zemi.
Hluboko pod pohořím Gran Sasso, kousek za městemL'Aquila v Itálii, fyzici pracují na experimentu VIP-2, aby porušili Pauliho princip. Speciální aparatura je založena na silném bloku římského olova, vedle kterého je umístěn detektor germania. Zachycuje drobné známky záření pocházející z kovu.
Podzemní laboratoř nízké radioaktivity v Gran Sasso.
Foto: Massimiliano De Deo, LNGS-INFN
Myšlenka je taková, že pokud je zásada zákazuPauli bude narušen, uvnitř vedení bude "zakázaný" atomový přechod, generující rentgenové záření s výrazným energetickým signálem. Zachytí to detektor germania.
Vesmírné ticho
Laboratoř byla speciálně umístěna pod zemí,protože záření z takového procesu by bylo tak slabé, že by bylo jinak přehlušeno obecným zářením pozadí z kosmického záření na Zemi. Jak vysvětlují italští vědci, jejich laboratoř poskytuje takzvané kosmické ticho – hora Gran Sasso milionkrát snižuje tok kosmického záření. To však samo o sobě nestačilo.
Frekvence signálu, kterou fyzici hledají, jestačí jedna nebo dvě akce denně nebo méně. To znamená, že materiály použité v experimentu musí být samy o sobě „radiově čisté“ – nesmí nic vyzařovat. A zařízení musí být chráněno před zářením kamenů. Na moderních urychlovačích je to nemožné, píší vědci.
Co vědci udělali?
Po provedení experimentu v podzemní laboratoři,vědci nenašli žádné důkazy o porušení Pauliho principu. To vylučuje některé modely kvantové gravitace. Jinými slovy, fyzici nezachytili „zakázaný“ signál. Každopádně zatím.
V rámci projektu také fyzici analyzovalipředpovědi modelu Poincaré theta a vyloučil některé verze modelu v Planckově měřítku (měřítko, ve kterém jsou porušovány známé klasické zákony gravitace). Navíc jejich analýza odporuje některým konkrétním implementacím kvantové gravitace.
Co bude dál?
Vědci nyní plánují rozšířit svůj výzkumdalší modely kvantové gravitace spolu s čínskými fyziky. Využijí nové materiály a analytické metody k hledání slabých signálů, aby „odhalili strukturu časoprostoru,“ vysvětlují autoři experimentů.
„Zajímavé je, že některé můžeme prozkoumatmodely kvantové gravitace s tak vysokou přesností, že to na moderních urychlovačích není možné,“ uzavírají vědci. "Je to velký skok jak teoreticky, tak experimentálně."
Přečtěte si více:
17letý inženýr přišel s motorem bez magnetu: lze jej použít v elektrických vozidlech
Nedaleko od Země byly nalezeny dvě planety. Možná jsou obydlené
Unikátní meteor přepsal historii sluneční soustavy: odkud se vzal
Titulní foto: Wikipedie