แรงโน้มถ่วงควอนตัมคืออะไร?

ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอนุภาคมูลฐานและอันตรกิริยาของพวกมันขึ้นอยู่กับแบบจำลองมาตรฐาน จนถึงปัจจุบัน ทฤษฎีที่ถูกต้องที่สุดที่พัฒนาขึ้นเพื่ออธิบายคุณสมบัติและพฤติกรรมทางกายภาพของอนุภาคทั้งหมด (ยกเว้นสสารมืด) ตลอดจนอนุภาคที่เป็นสื่อกลางอันตรกิริยาระหว่างพวกมัน

ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานที่ทราบเพียงอย่างเดียวซึ่งไม่ได้อธิบายไว้ในแบบจำลองมาตรฐานคือแรงโน้มถ่วง คำอธิบายแบบคลาสสิกนั้นมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ ซึ่งถือว่าสนามโน้มถ่วงเป็นรูปทรงเรขาคณิตของกาลอวกาศ ทฤษฎีนี้ใช้เพื่ออธิบายอิทธิพลของวัตถุขนาดใหญ่ เช่น ดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ และกาแล็กซี ที่มีต่อกาลอวกาศรอบๆ วัตถุมวลมากได้อย่างแม่นยำ รวมทั้งช่วยให้เราเข้าใจวิวัฒนาการของเอกภพโดยรวม

อย่างไรก็ตาม การปรับทฤษฎีแรงโน้มถ่วงของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปให้สอดคล้องกันกับหลักการของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติและพฤติกรรมของวัตถุในระดับย่อยของอะตอม ถือเป็นความท้าทายเล็กน้อย

เมื่อเราพยายาม “หาปริมาณ” ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป เราได้ทฤษฎีที่ใช้ได้สำหรับช่วงของพลังงานที่อธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคและวัตถุต่างๆ แต่ทฤษฎีพื้นฐานจำเป็นต้องใช้ได้กับพลังงานทั้งหมดจึงจะถูกต้อง

แม้ว่าผลกระทบทางควอนตัมในแรงโน้มถ่วงจะไม่ได้มีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางกายภาพส่วนใหญ่ แต่ก็มีบางสถานการณ์ที่ต้องนำมาพิจารณา กล่าวคือ เมื่อสนามโน้มถ่วงมีความรุนแรงมากเป็นพิเศษ เช่น ในช่วงแรกหลังบิกแบงหรือใกล้กับใจกลางของหลุมดำ

เพื่อศึกษาฟิสิกส์ในสภาวะที่รุนแรงเช่นนี้และเพื่อให้เข้าใจปฏิสัมพันธ์พื้นฐานอย่างสมบูรณ์ การกำหนดทฤษฎีควอนตัมของแรงโน้มถ่วงเป็นสิ่งจำเป็น อย่างไรก็ตามนั่นทำให้เกิดปัญหาเล็กน้อย…

ทำไมการศึกษาแรงโน้มถ่วงควอนตัมจึงยากนัก

ความท้าทายหลักที่เราพบเมื่อค้นหาหลักฐานของแรงโน้มถ่วงควอนตัมคือการขาดข้อมูลการทดลอง นักฟิสิกส์มักจะศึกษาปฏิสัมพันธ์พื้นฐานของอนุภาคมูลฐานกับเครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งชนกันของลำแสงของอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วแสง ประเภทของอนุภาคที่เกิดในเหตุการณ์การชน จำนวนของมัน มุมและความเร็วที่อนุภาคนั้นบินออกไปสามารถใช้เพื่อดึงข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับคุณสมบัติและปฏิกิริยาของอนุภาคได้

ประเด็นสำคัญที่นี่คือผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงในอันตรกิริยาของอนุภาคมูลฐานนั้นอ่อนแอมากจนไม่สามารถวัดได้ด้วยเครื่องเร่งความเร็วปัจจุบัน ตัวอย่างเช่น แรงดึงดูดระหว่างอิเล็กตรอนสองตัวมีค่าอ่อนกว่าแรงผลักของแม่เหล็กไฟฟ้าระหว่างอิเล็กตรอนมากกว่า 42 คำสั่ง

เนื่องจากความยากในการวัดผลกระทบของควอนตัม การศึกษาเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงของควอนตัมจนถึงขณะนี้ยังเป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้น แต่นักฟิสิกส์ยังสามารถหาตัวเลือกที่เป็นไปได้จำนวนหนึ่ง

ทฤษฎีสตริงสามารถอธิบายแรงโน้มถ่วงควอนตัมได้หรือไม่?

ความพยายามที่จะกำหนดทฤษฎีที่ถูกต้องของแรงโน้มถ่วงควอนตัมมีขึ้นตั้งแต่ทศวรรษที่ 1940 แต่ความคืบหน้าถูกจำกัดจนถึงทศวรรษที่ 1980 เมื่อมีการเสนอผู้สมัครใหม่: ทฤษฎีสตริง

สมมติฐานพื้นฐานของทฤษฎีสตริงคือ อนุภาคมูลฐานไม่ได้มีลักษณะเหมือนจุดเหมือนในแบบจำลองมาตรฐาน แต่เป็นสตริงขนาดเล็กที่มีมิติเดียวแทน การสั่นหรือการสั่นแต่ละครั้งของสายเหล่านี้สอดคล้องกับชนิดของอนุภาคมูลฐาน หมายความว่าอิเล็กตรอนจะมีการสั่นที่แตกต่างจากควาร์กและโฟตอน

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง โหมดการสั่นของสตริงที่รู้จักโหมดหนึ่งมีคุณสมบัติที่สอดคล้องกับสิ่งที่นักฟิสิกส์หลายคนคาดหวังจากกราวิตอนสมมุติ ซึ่งเป็นอนุภาคหรือสตริงที่ควรเป็นสื่อกลางในการโต้ตอบด้วยแรงโน้มถ่วง อย่างไรก็ตาม ไดนามิกของมันค่อนข้างแตกต่างไปจากอนุภาคที่พบในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเชิงปริมาณ ซึ่งขัดแย้งกับหลักการพื้นฐานของฟิสิกส์และคณิตศาสตร์ ในทฤษฎีสตริง ปฏิสัมพันธ์ของกราวิตอนกับอนุภาคอื่นๆ นั้นสอดคล้องกับหลักการเหล่านี้อย่างสมบูรณ์ ทำให้ทฤษฎีนี้มีความเป็นไปได้สำหรับแรงโน้มถ่วงควอนตัม

หนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจและสำคัญที่สุดของทฤษฎีนี้คือการทำนายการมีอยู่ของกาลอวกาศสิบมิติ เมื่อมองแวบแรก การทำนายนี้ดูไม่เข้ากับประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของเราที่เราสามารถสังเกตได้เพียงสี่มิติเท่านั้น: สามช่องว่างและหนึ่งครั้ง วิธีแก้ปัญหาที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางที่สุดสำหรับความไม่สอดคล้องที่ชัดเจนนี้คือ มิติเพิ่มเติมอีก 6 มิติมีขนาดเล็กมากและไม่สามารถสังเกตได้ด้วยเครื่องมือทดลองที่เรามีอยู่ในปัจจุบัน

สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่านี่เป็นเพียงสมมติฐานข้อหนึ่งของหลาย ๆ ข้อ นักฟิสิกส์ยังได้เสนอแบบจำลองอื่นๆ ที่มีขนาดเหมือนอวกาศพิเศษ ซึ่งเป็นที่นิยมมากที่สุด ได้แก่ แบบจำลอง Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (AHDD) และแบบจำลอง Randall-Sundrum (RS) ในทฤษฎีเหล่านี้ ยังมีขนาดเพิ่มเติมอยู่ แต่อาจเป็นขนาดมิลลิเมตรหรือใหญ่อย่างไม่มีที่สิ้นสุดก็ได้

มุมมองโฮโลแกรมเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงควอนตัม

น่าเสียดายที่ความเข้าใจในปัจจุบันเกี่ยวกับทฤษฎีสตริงยังไม่สมบูรณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เราไม่ทราบวิธีหารูปทรงเรขาคณิตของมิติพิเศษทั้งหกจากหลักการพื้นฐาน นี่เป็นปัญหาที่ร้ายแรงมากเนื่องจากรูปร่างของมิติเหล่านี้ส่งผลต่อรายละเอียดของอันตรกิริยาเชิงโน้มถ่วงที่พลังงานและอุณหภูมิที่สูงมาก ข้อจำกัดนี้ทำให้เราไม่สามารถศึกษาผลกระทบเชิงปริมาณของแรงโน้มถ่วงเชิงควอนตัมได้

แม้ว่าทฤษฎีสตริงยังไม่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไป แต่การวิจัยในสาขานี้ได้นำไปสู่การพัฒนาเครื่องมือทางทฤษฎีมากมาย เครื่องมือที่ทรงพลังและสำคัญที่สุดแม้ว่าจะยังคงเป็นสมมุติฐานก็ตาม

แนวคิดในที่นี้คือจักรวาลสิบมิติที่มีแรงโน้มถ่วงเป็นการฉายภาพจักรวาลในมิติที่ต่ำกว่า (เช่น โฮโลแกรม) ซึ่งไม่มีสนามแรงโน้มถ่วงอยู่ภายใน การคิดเกี่ยวกับเอกภพของเราในบริบทของปริภูมิที่มีมิติต่ำกว่านี้ช่วยลดความซับซ้อนของปริศนาที่ยากที่สุดในฟิสิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปริศนาที่เกิดขึ้นเมื่อรวมกลศาสตร์ควอนตัมและทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเข้าด้วยกัน

นี่เป็นเพราะการ “อธิบาย” โลกที่ปราศจากแรงโน้มถ่วงที่เรียบง่ายกว่านี้ทำได้ง่ายกว่ามาก นักฟิสิกส์มีประสบการณ์มากมายในการทำงานกับทฤษฎีไร้แรงโน้มถ่วงดังกล่าวเมื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า อ่อนแอ และแรงที่อธิบายไว้ในแบบจำลองมาตรฐาน

การติดต่อแบบโฮโลแกรมไม่เพียงแต่ทำให้สามารถศึกษาปัญหาเชิงแนวคิดที่ซับซ้อนของแรงโน้มถ่วงควอนตัมเท่านั้น แต่ยังใช้เพื่ออธิบายวิวัฒนาการที่สังเกตได้ของเอกภพของเราด้วย นักวิทยาศาสตร์หวังว่าการพัฒนาต่อไปจะทำให้พวกเขาสามารถศึกษาปรากฏการณ์ต่างๆ ได้มากขึ้น

ทฤษฎีอื่น ๆ ของแรงโน้มถ่วงควอนตัม

ทฤษฎีสตริงและการโต้ตอบแบบโฮโลแกรมเป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมมากที่สุดในการรวบรวมกลศาสตร์ควอนตัมเข้ากับแรงโน้มถ่วง แต่ก็มีวิธีอื่นๆ

ตัวอย่างที่รู้จักกันดีคือทฤษฎีที่เรียกว่าควอนตัมจีโอเมโทรไดนามิกส์ (อย่าปล่อยให้ชื่อข่มขู่คุณ!) ทฤษฎีนี้ซึ่งดึงดูดความสนใจของนักวิจัยตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1960 ปฏิบัติต่ออวกาศสามมิติและเวลาด้วยวิธีที่แตกต่างกันเล็กน้อย ตรงกันข้ามกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งปฏิบัติต่อทั้งสี่มิติอย่างเท่าเทียมกันภายในแนวคิดของกาลอวกาศ ทฤษฎีนี้เป็นการวัดปริมาณของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และคาดว่าจะไม่ถูกต้องที่พลังงานและอุณหภูมิที่สูงมาก เช่น ที่พบในเอกภพในยุคแรกเริ่ม แต่มันทำให้การคาดการณ์ที่น่าสนใจเกี่ยวกับการแก้ไขควอนตัมต่อผลสัมพัทธภาพทั่วไปแบบคลาสสิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในจักรวาลวิทยา ซึ่งศึกษาวิวัฒนาการของเอกภพของเราโดยรวม

อีกทฤษฎีหนึ่งเหล่านี้เรียกว่าแรงโน้มถ่วงควอนตัมแบบวนซ้ำ ซึ่งในการหาปริมาณแรงโน้มถ่วง นักฟิสิกส์ละทิ้งแนวคิดของกาลอวกาศที่ต่อเนื่องกัน (ตามที่นิยามโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป) และพิจารณาว่ามันถูกสร้างขึ้นจากหน่วยการสร้างขนาดเล็กที่ไม่ต่อเนื่อง สิ่งเหล่านี้เป็นหนึ่งมิติและเมื่อพันเข้าด้วยกันจะประกอบกันเป็นผ้าสี่มิติขนาดยักษ์

ในทฤษฎีที่คล้ายกันอีกทฤษฎีหนึ่งที่รู้จักกันในชื่อสามเหลี่ยมเชิงพลวัตเชิงสาเหตุ กาลอวกาศเบื้องต้นเป็นส่วนคู่สี่มิติของสามเหลี่ยมแบนราบ เมื่อ “ติดกาว” เข้าด้วยกันตามใบหน้า บล็อกเหล่านี้ก่อตัวเป็นเอกภพของเราและให้วิธีหาปริมาณแรงโน้มถ่วงที่ง่ายกว่า

ขนาดของบล็อกเหล่านี้ (หรือชิ้นส่วนกาลอวกาศ) ในทั้งสองทฤษฎีเป็นไปตามลำดับของความยาวของพลังค์ ซึ่งถือว่าเป็นมาตราส่วนทั่วไปของทฤษฎีแรงโน้มถ่วงควอนตัมใดๆ ความยาวนี้ประมาณ 10−35 เมตร ซึ่งเล็กกว่าขนาดของอะตอมประมาณ 23 คำสั่ง

แนวทางอื่นๆ เช่น ทฤษฎีเมทริกซ์ เสนอมุมมองที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงของกาลอวกาศ ซึ่งนักฟิสิกส์คาดเดาว่ามันอาจไม่มีอยู่จริงเลย และอาจเป็นเพียงคำอธิบายคร่าวๆ ของความเป็นจริงเท่านั้น แม้ว่าวิธีการนี้จะดูขัดกับสัญชาตญาณและเป็นไปไม่ได้ที่จะทำงานด้วย แต่นักวิจัยยังสามารถดึงข้อมูลเชิงลึกอันมีค่าจากวิธีการนี้เพื่อทำการคาดการณ์ที่อาจทดสอบได้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้การคาดคะเนเหล่านี้มีความแม่นยำมากกว่าที่จัดทำโดยวิธีการแบบอนุรักษ์นิยมอื่นๆ การปรับปรุงเพิ่มเติมในความเข้าใจทางทฤษฎีของทฤษฎีนี้หรือการปรับปรุงวิธีการทางตัวเลขที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในสาขานี้เป็นสิ่งจำเป็น

ทฤษฎีทั้งหมดเหล่านี้มีข้อดีและข้อเสีย และในปัจจุบันยังไม่มีทฤษฎีใดให้คำอธิบายที่ครอบคลุมเกี่ยวกับแรงโน้มถ่วงควอนตัม การค้นหาว่าทฤษฎีใด (ถ้ามี!) เป็นทฤษฎีที่ถูกต้อง จำเป็นต้องมีการค้นพบทางทฤษฎีใหม่ หรือที่ดีกว่านั้น หลักฐานการทดลองบางอย่าง

การทดลองในอนาคตจะช่วยเราศึกษาความโน้มถ่วงของควอนตัมได้อย่างไร

แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะศึกษาผลกระทบของความโน้มถ่วงแบบควอนตัมด้วยเครื่องเร่งอนุภาคมูลฐาน เนื่องจากการมีส่วนร่วมในปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนั้นน้อยมาก อย่างไรก็ตาม มีการเสนอวิธีการทางเลือกเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งวิธีที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือการใช้เครื่องตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง

สิ่งที่ไวที่สุดคือเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งวัดระยะห่างระหว่างกระจกที่แยกจากกันโดยใช้ลำแสงเลเซอร์ที่เคลื่อนที่ระหว่างกระจกทั้งสอง เครื่องตรวจจับเหล่านี้สามารถบันทึกคลื่นความโน้มถ่วงที่ปล่อยออกมาจากการรวมหลุมดำ ซึ่งเป็นวัตถุที่มีพฤติกรรมที่น่าจะได้รับผลกระทบส่วนใหญ่จากผลกระทบทางความโน้มถ่วงทางควอนตัม เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงซึ่งเป็นระลอกคลื่นในกาลอวกาศผ่านอุปกรณ์นี้ มันจะเปลี่ยนระยะทางที่ลำแสงเลเซอร์ต้องเดินทางเพื่อไปยังกระจกข้างเคียง ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของลำแสงเลเซอร์ที่สามารถตรวจจับและวัดได้

นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณสเปกตรัมของคลื่นความโน้มถ่วงเหล่านี้ได้ โดยสมมติว่ามีการอธิบายอย่างถูกต้องโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และความคลาดเคลื่อนระหว่างการสังเกตและการคำนวณเหล่านี้อาจก่อให้เกิดผลกระทบทางควอนตัมในแรงโน้มถ่วง

นักฟิสิกส์หวังว่าอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์รุ่นต่อไป เช่น กล้องโทรทรรศน์ไอน์สไตน์ที่ใช้พื้นโลกหรือเสาอากาศอวกาศเลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ (LISA) ที่มีกำหนดเปิดตัวในปี 2030 จะให้ข้อมูลที่มีค่า

อีกแนวทางหนึ่งคือการวิเคราะห์พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก ซึ่งเป็นรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในอวกาศที่มีมาตั้งแต่บิกแบง คุณสมบัติของรังสีนี้ซึ่งเราสามารถวัดได้ควรได้รับอิทธิพลจากกระบวนการที่เกิดขึ้นในเอกภพในช่วงแรกของการดำรงอยู่ของมัน ซึ่งเป็นช่วงที่ผลกระทบทางควอนตัมในแรงโน้มถ่วงมีความสำคัญมาก

นักฟิสิกส์บางคนโต้แย้งว่าคุณสมบัติที่วัดได้ในรังสีพื้นหลังนี้ยืนยันการมีอยู่ของกราวิตอนในเอกภพยุคแรก โดยยืนยันสมมติฐานที่ว่าอันตรกิริยาโน้มถ่วงในระดับมูลฐานถูกสื่อกลางโดยอนุภาค เช่นเดียวกับอันตรกิริยาพื้นฐานอื่นๆ

หวังว่าในอนาคต การทดลองเหล่านี้และการทดลองอื่นๆ ที่ยังไม่ได้คิดขึ้นจะให้ข้อมูลที่จำเป็นแก่เราในการทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์พื้นฐานเหล่านี้ให้สมบูรณ์ และเปิดเผยธรรมชาติของเอกภพของเรา

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ new-scarlet.com