“Sannsynligvis den verste teoretiske spådommen i hele fysikken” er en beryktet linje fra en lærebok om generell relativitetsteori utgitt i 2006. Den beskriver den dårlige tilstanden fysikere befinner seg i når de prøver å beregne energitettheten til vakuumet.
Tenkningen deres går slik. I følge kvantefeltteorien er vakuumet fylt med partikler som hopper inn og ut av eksistensen i et boblende skum av kvanteaktivitet.
All denne aktiviteten må finansieres av et slags energibudsjett, som fysikere kaller nullpunktsenergi. Og siden energi tilsvarer masse, må den utøve en gravitasjonskraft på tingene rundt seg. For å finne ut hvor mye tyngdekraften er involvert, er alt du trenger å gjøre å legge sammen all kvanteaktiviteten som bidrar til den.
Dette gir et tall som er enormt, noe i størrelsesorden 10^117 eV. Og det tilsvarer en relativt kraftig gravitasjonseffekt som ville manifestere seg som en sterk krumning av universet.
Kosmologisk konstant
Men det er en annen måte å takle dette problemet på. De siste årene har kosmologer blitt i stand til å måle krumningen til universet, gitt av et tall som kalles den kosmologiske konstanten. Dette tallet representerer også energitettheten til vakuumet, og dens målte verdi er omtrent 0,002 eV.
Det er rundt 120 størrelsesordener mindre enn den spådde verdien, derav den beryktede linjen om den verste spådommen.
Alt dette er en anelse om at det er noe galt med måten fysikere tenker på universet. Det antyder at problemet må ligge enten i kvantefeltteorien, som beskriver fysikken til de helt små og tilfeldigvis er en av de mest vellykkede og nøyaktige teoriene gjennom tidene.
Eller at det må ligge med generell relativitet, som beskriver fysikken til det helt store inkludert den kosmologiske konstanten. Det er også en av fysikkens mest vellykkede teorier. Kanskje de begge tar feil.
Det som selvfølgelig vil hjelpe er en måte å måle gravitasjonspåvirkningen til nullpunktsenergien på en skala som er betydelig mindre enn kosmologisk.
Nå har Suman Kundu og kolleger ved Syracuse University i delstaten New York utviklet akkurat det — en måte å måle gravitasjonseffekten av nullpunktsenergi på atomskalaen. De sier at målingene deres begrenser effekten betydelig og setter viktige grenser for hvordan gravitasjons- og kvantefeltteori endelig kan forenes.
Teamets teknikk utnytter eksotiske atomer, kalt Rydberg-atomer, som oppfører seg som hydrogenatomer, men i mye større skala. Disse gjenstandene begynner livet som et vanlig atom, for eksempel rubidium, men blir deretter opphisset slik at det ytterste elektronet tvinges til å gå i bane rundt kjernen på stor avstand.
Under disse omstendighetene skjermer de indre elektronene det ytterste fra det elektriske feltet til kjernen. Så det ytterste elektronet går i bane som om det var alene, akkurat som et elektron rundt et hydrogenatom.
Resultatet er et hydrogenlignende atom i enorm skala. Et hydrogenatom er bare noen få pikometer på tvers, mens det ytterste elektronet i et Rydberg-atom kan gå i bane rundt avstander målt i mikrometer – det er millioner av ganger større.
Rydberg-atomer antas å ha et enormt potensial i felt så forskjellige som kvantedatabehandling og grunnleggende fysikkkjemi. De er også kraftige sensorer, og det er der Kundu og co kommer inn i denne historien.
De resonnerte at elektronet i Rydberg-atomet må være påvirket av tyngdekraften knyttet til nullpunktsfeltet og at denne påvirkningen burde kunne påvises i banene elektronet opptar og energinivåene mellom dem.
Måling av disse energinivåene bør avsløre størrelsen på gravitasjonsforstyrrelser. “Den utsøkte presisjonen som kan oppnås og den relativt store størrelsen på eksiterte Rydberg-atomer gjør oss i stand til å måle gravitasjonsegenskapene til vakuumet,” sier Kundu og co.
Og det er akkurat det de har gjort. “Eksperimenter på Rydberg-atomer er nå i stand til å spennende atomene til energinivåer av orden n = 100 mens de måles energinivåene til en presisjon på 10^−10 eV,” sier de.
Kraftfelt
Resultatene gir tankevekkende lesing. Kundu og co sier at så vidt de kan se, opplever ikke Rydberg-atomer en gravitasjonseffekt fra nullpunktsenergien. Det betyr ikke at det ikke er en effekt, men at den må være mindre enn ca. 7 GeV.
Det er ikke i nærheten av størrelsen som den naive teorien forutsier (dvs. 10^117 eV). Men det er en annen grunn til at det er betydelig. “Dette er interessant fordi det eliminerer de fleste av de antatte bidragene fra partikkelfysikk som har en skala på minst 100 GeV,” sier Kundu og co. “Dette har interessante implikasjoner for kosmologi og begynnende teorier om kvantetyngdekraft.”
Nøyaktig hva disse implikasjonene vil være, overlater Kundu og co til andre fysikere å avgjøre. Men det bringer målingene nærmere verdien kosmologene måler i form av den kosmologiske konstanten. “Vi synes det er bemerkelsesverdig at et atom i et terrestrisk laboratorium kan lære oss noe om kosmologi,” mener forskerne.
På slutten av 1800-tallet trodde mange forskere at de fleste av de utestående problemene innen fysikk var nær ved å bli løst. Disse inkluderte Ludwig Boltzmanns oppdagelse i 1877 om at energisystemene til noen systemer kunne være diskrete, Heinrichs Hertz sin oppdagelse i 1887 av den fotoelektriske effekten og den langvarige observasjonen av at Merkurs bane forløper rundt Solen raskere enn forutsagt. Men meningen var at fysikere ville finne enkle løsninger på disse problemene etter hvert.
Men disse tilsynelatende små sprekkene ble snart til gjespende kløfter som fødte de to største teoriene i det 20. århundre – kvantemekanikk og relativitet.
Mange fysikere håper at problemet med gravitasjonspåvirkning av nullpunktsenergi kan løses innenfor rammen av kvantefeltteori, muligens i en teori om kvantetyngdekraft. Kanskje!
Men det Kundu og co viser er at denne sprekken i vår forståelse av universet ikke viser tegn til å bli mindre.
Ref: Graviterer vakuumet? Rydberg Atoms sier “Sannsynligvis ikke!” : arxiv.org/abs/2208.14192