Galaxien, Planeten, schwarze Löcher: Für die meisten Menschen klingt und fühlt sich alles an unserem Universum enorm an. Aber obwohl es wahr ist, dass viel von dem, was in Millionenhöhe entfernt passiert, groß ist, gibt es auch Prozesse am Quantenende der Skala. Das ist der Wissenschaftszweig, der erklärt, wie die Natur in sehr kleinen Maßstäben funktioniert – Smaller als Atome. Auf dieser Ebene verhalten sich die Dinge auf überraschende Weise.
Theoretische Physiker Partha Nandi und Bibhas Ranjan Majhi untersuchten die Möglichkeit, dass Gravitationswellen – im Raum, der durch massive Objekte verursacht wird, die sich bewegen oder kollidieren – Quanteneigenschaften aufweisen. Sie teilten ihre Ergebnisse mit dem Gespräch Afrika.
Was sind Gravitationswellen?
Einfach ausgedrückt, sie sind wie winzige Wellen im Weltraum, ähnlich wie die Wellen, die Sie beim Spritzen von Wasser sehen. Sie treten auf, wenn wirklich schwere Dinge im Weltraum, wie Sterne oder schwarze Löcher, bewegen oder ineinander abstürzen. Diese Wellen reisen dann über den Raum und tragen Energie.
Sie sind auch weit mehr als das: Sie sind eine Kommunikationsmethode. Sie enthalten Informationen über massive kosmische Ereignisse und helfen Wissenschaftlern, den Weltraum auf eine Weise zu „zuzuhören“, die vor bestätigten Existenz nicht möglich war.
1916 veröffentlichte der legendäre theoretische Physiker Albert Einstein a bahnbrechendes Papier Das legte seine Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie dar. Er beschrieb die Schwerkraft nicht als Kraft, sondern als Biegen von Raum und Zeit, die durch massive Objekte verursacht wurden. Diese Biegung wirkt sich auf die Bewegung von Objekten aus, genau wie eine schwere Kugel, die auf einem gestreckten Gummiblatt platziert ist, kleinere Gegenstände dazu bringen.
Einstein prognostizierte genau die Bewegung von Planeten, schwarzen Löchern und sogar, wie sich das Licht um massive Objekte biegt-und die Existenz von Gravitationswellen, die sich in der Raumzeit in der Raum-Zeit wecken, wenn sich diese massiven Objekte bewegen oder kollidieren.
Es dauerte fast 100 Jahre, bis Einsteins Hypothese über Gravitationswellen bestätigt wurde. Dann die Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (Ligo) in den USA entdeckte diese Wellen zum ersten Mal. Es hat so lange gedauert, denn trotz der Riesige, wie sie riesig klingen, sind die Gravitationswellen winzig: Sie dehnen oder drücken den Raum um einen Faktor, der 1.000 -mal kleiner als die Größe eines Atoms ist. Es waren spezielle Werkzeuge benötigt, um sie zu erkennen, und die hochmoderne Technologie von Ligo entsprach der Aufgabe.
Sie argumentieren, dass einige Gravitationswellen in der Natur quantum sind. Was bedeutet das?
„Quantum“ ist der Wissenschaftszweig, der erklärt, wie die Natur in sehr kleinen Maßstäben funktioniert – Smaller als Atome. Auf dieser Ebene verhalten sich die Dinge auf überraschende Weise.
Zum Beispiel können sich winzige Partikel wie Wellen verhalten. Sie können auch in mehr als einem Zustand gleichzeitig existieren, was genannt wird Überlagerung. Darüber hinaus können sie auf mysteriöse Weise miteinander verbunden werden, so dass eine Veränderung in einem sofort das andere betrifft, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Das heißt Verstrickung.
Photonen sind ein gutes Beispiel. Dies sind Lichtteilchen und Wissenschaftler haben bewiesen dass sie sich auf diese „Quanten“ -Dokumente verhalten, z. B. in der Überlagerung existieren oder miteinander verwickelt werden können.
Verstrickung ist eine Art Verbindung, aber viel tiefer als ein einfacher Link. Wenn zwei Objekte verwickelt sind, teilen sie etwas, das als Quantenzustand bezeichnet wird. Dies beschreibt alles über ein Teilchen oder ein System. Es ist wie eine Blaupause, aber anstelle von festen Details gibt es die Möglichkeit, das Teilchen unter verschiedenen Bedingungen wie seine Position oder Geschwindigkeit zu finden.
Wenn zwei Objekte einen Quantenzustand teilen, wird ihr Verhalten auf mysteriöse Weise miteinander verbunden. Wenn Sie ein Objekt messen, wird sich der Zustand des anderen sofort an die Übereinstimmung anpassen, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Dies macht Verstrickung so besonders und im Gegensatz zu allem, was wir in der Alltagswelt sehen.
Was hat Ihre Forschung enthüllt?
Wir stellten die Hypothese auf, dass Gravitationswellen sowohl klassische als auch Quanteneigenschaften haben könnten. Diejenigen, die von LIGO bisher nachgewiesen wurden, folgen dem klassischen Verhalten und entsprechen Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie.
Aber die aktuellen LIGO -Detektoren sind nicht empfindlich genug, um Quanteneffekte zu erkennen, und es gab keine Möglichkeit zu wissen, ob unsere Hypothese korrekt ist. Also Wir modellierten Ein Detektor ähnlich der neuesten Ligo -Generation, die an Armen befestigt ist, die sich bewegen und vibrieren können.
Klassische Gravitationswellen bewirken, dass sich die Spiegel auf bestimmte Weise bewegen, aber in unserer Studie haben Quantengravitationswellen – tinische Wellen, die durch Partikel, die als „Gravitonen“ bezeichnet werden, die Spiegel unterschiedlich betroffen. Sie können die Oszillationsmodi der Spiegel verwickelt haben: Teile der Bewegung bewegen sich auf eine Weise, die klassische Wellen nicht erzeugen können.
Stellen Sie sich vor, dass Sie sich zwei Windspiele weit auseinander vorstellen und aufgrund einer unsichtbaren Brise synchron beeinflussen. Hier sind die Quantengravitationswellen wie diese Brise. Sie lassen entfernte Objekte so zusammenhängen, wie klassische Gravitationswellen nicht können.
Dies deutet darauf hin, dass in sehr kleinen Maßstäben Gravitationswellen Quantenmerkmale wie Verstrickung aufweisen können, die klassisch nicht erklärt werden können. Wir schlagen nicht vor, dass alle Gravitationswellen Quanten sind. Dies bedeutet jedoch nicht, dass alle Gravitationswellen in der Natur quantum sind. Stattdessen können diejenigen, die aus dem frühen Universum stammen, vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren Quantensignaturen tragen. Diese Arten von Gravitationswellen können Informationen über das frühe Universum codieren, insbesondere um die Zeit der Urknallund wie sie sich im Laufe der Zeit verändert haben.
Warum ist das ein wichtiger Befund?
Bestätigung der Quanten Natur von Gravitationswellen Brücken Einsteins Relativitätstheorie mit Quantenmechanik und Lösung eines Rätsels, das seit Jahrzehnten die Physik in Frage stellt Regeln Sie das Verhalten von Partikeln auf den kleinsten Maßstäben.
Dieser Durchbruch könnte unser Verständnis des Universums revolutionieren. Die Quantenfunktion von Gravitationswellen könnte dazu beitragen, dass fortgeschrittene Sensoren schwache kosmische Signale erkennen und Einblicke in die Ursprünge des Universums, das Verhalten des Schwarzen Lochs und den Stoff der Realität liefern. Während Ligo bereits große Fortschritte bei der Messung von Gravitationswellen erzielt hat, eröffnet die Erforschung ihrer Quantenseite ein neues Feld der Physik.
Es ist wichtig zu beachten, dass mehr Forschung erforderlich sein wird, um unsere Ergebnisse in verschiedenen experimentellen Umgebungen zu testen und zu replizieren. Wir sind weit davon entfernt Nationales Institut für theoretische und Computerwissenschaften (Nithecs) und die Astrophysik -Forschungsgruppe an der Stellenbosch University die durch Datenanalyse, Zusammenarbeit und theoretische Arbeit zur Gravitationswellen -Astrophysik beitragen.
Fortschritte in der Technologie werden auch eine Schlüsselrolle bei der Erweiterung der Quantengradationswellenforschungsmöglichkeiten spielen. Der Ligo-Indien-ObservatoriumAufgrund des Betriebs bis 2030 wird eine solche mögliche experimentelle Umgebung sein.
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