Supraleiter könnten Physikern helfen, Gravitationspartikel zu finden

Es könnte möglich sein, Energie aus einem Vakuum mithilfe der Schwerkraft zu gewinnen, sagt ein theoretischer Physiker.

Wenn es Forschern gelingt, zu zeigen, dass dies passieren kann, könnte dies die lange postulierte Existenz des Gravitons, des Teilchens der Gravitation, beweisen und Wissenschaftler möglicherweise einen Schritt näher zur Entwicklung einer "Theorie von Allem" bringen, die erklären kann, wie das Universum funktioniert seine kleinsten bis größten Skalen.

Die neue Forschung fand speziell heraus, dass es möglich sein könnte, zu zeigen, dass Gravitonen existieren, indem sie supraleitende Platten verwenden, um ein Phänomen mit dem esoterischen Namen des "gravitativen Casimir-Effekts" zu messen.

"Das Spannendste an diesen Ergebnissen ist, dass sie mit der aktuellen Technologie getestet werden können", sagte Studienautor James Quach, ein theoretischer Physiker an der Universität Tokio, gegenüber Live Science.

Zu zeigen, dass Gravitonen existieren, würde Wissenschaftlern helfen, die lange eine "Theorie von Allem" entwickelt haben, die die Funktionsweise des Kosmos in seiner Gesamtheit beschreiben kann. Gegenwärtig benutzen sie die Theorie der Quantenmechanik, um das Universum auf seiner kleinsten Ebene zu erklären, und die allgemeine Relativitätstheorie, um das Universum auf seiner größten Ebene zu erklären. Während die Quantenmechanik das Verhalten aller bekannten Teilchen erklären kann, beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie die Natur von Raum-Zeit und Schwerkraft.

Die Quantenmechanik legt nahe, dass Teilchen - einschließlich des schwer fassbaren Gravitons - sich sowohl wie ein Teilchen als auch eine Welle verhalten können.

Aber die Quantenmechanik zeigt auch, dass die Welt auf ihren allerkleinsten Ebenen zu einem verschwommenen, surrealen Ort wird. Zum Beispiel existieren Atome und andere fundamentale Bausteine ​​des Universums tatsächlich in Flusszuständen, die als "Superpositionen" bekannt sind, was bedeutet, dass sie scheinbar an zwei oder mehr Orten gleichzeitig lokalisiert sein können oder sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen drehen können. [Verrückte Physik: Die kühlsten Teilchen der Natur]

Da die Quantenmechanik nahelegt, dass ein beliebiges Teilchen nicht dort sein kann, wo man denkt, sondern irgendwo essen könnte, ist eine der vielen seltsamen Konsequenzen dieser Theorie, dass das, was wie ein Vakuum erscheint (vollständig leerer Raum), tatsächlich "virtuelle Teilchen" enthält. die regelmäßig ein- und ausgehen. Diese gespenstischen Entitäten sind mehr als nur Theorie - sie können messbare Kräfte erzeugen.

Der Casimir-Effekt ist eine solche Kraft und kann als Anziehungs- oder Abstoßungskraft zwischen zwei Spiegeln gemessen werden, die im Vakuum ein paar Nanometer (Milliardstel Meter) voneinander entfernt sind. Die reflektierenden Oberflächen können sich tatsächlich bewegen, aufgrund von virtuellen Photonen oder Lichtpaketen, die aus dem Vakuum zwischen den Spiegeln erscheinen und verschwinden.

Im Prinzip kann der Casimir-Effekt nicht nur für Photonen gelten, sondern auch für Gravitationspartikel, was bedeutet, dass Gravitonen aus dem Vakuum zwischen den Spiegeln erscheinen und verschwinden können. Durch die Erkennung dieses Effekts konnten die Forscher daher nachweisen, dass Gravitonen existieren. Die Existenz von Gravitonen würde wiederum zeigen, dass die Gravitation eine Quantennatur hat, die sich sowohl als Teilchen als auch als Welle verhalten kann. Dies wäre ein wichtiger Schritt zur Versöhnung der Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie.

Ein solcher "gravitativer Casimir-Effekt" ist schwer zu erkennen, da gewöhnliche Materie, wie die normalen Spiegel, nicht so gut die Gravitonen reflektieren, wie sie Licht reflektieren. Jüngste theoretische Studien legen jedoch nahe, dass Supraleiter Gravitonen reflektieren können, sagte Quach.

Supraleiter sind Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten. In Supraleitern kondensieren Elektronen zu einer so genannten Quantenflüssigkeit, die ohne Energiezerstreuung fließen kann.

In gewöhnlichen Materialien wird allgemein angenommen, dass sich die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Atomkerne oder Ionen, zu denen sie gehören, entlang der gleichen Bahnen oder "Geodäten" in der Raumzeit bewegen. Allerdings haben frühere Untersuchungen in einem Supraleiter vorgeschlagen, dass sich die aus den Elektronen im Supraleiter bestehende Quantenflüssigkeit nicht notwendigerweise zusammen mit den Ionen im Supraleiter bewegen muss, sagte Quach.

Dennoch werden sich die negativ geladenen Elektronen und die positiv geladenen Ionen im Supraleiter gegenseitig anziehen. Wenn ankommende Gravitonen versuchen, die Elektronen und Ionen dazu zu bringen, sich entlang verschiedener Wege zu bewegen, kann die Anziehung zwischen den Elektronen und den Ionen sie zusammenhalten, was möglicherweise dazu führt, dass irgendwelche Gravitonen von ihnen reflektiert werden, sagte Quach.

In der gewöhnlichen Materie ist der gravitative Casimir-Effekt zu schwach, um nachgewiesen zu werden. Er übt nur ein Hundertstel eines Milliardstel eines Billionstel eines Billionstel des Druckes aus, den die Erdatmosphäre auf Meereshöhe ausübt. Im Gegensatz dazu, wenn Supraleiter verwendet werden, wenn der gravitative Casimir-Effekt real ist, kann er eine Kraft ausüben, die etwa 10 mal stärker ist als von virtuellen Photonen erwartet, sagte Quach.

Es ist unbekannt, ob Supraleiter die Gravitationswellen in der realen Welt reflektieren können. "Dies ist immer noch nur eine Theorie, und bis es experimentelle Beweise gibt, sollten wir es nicht für Tatsache halten", sagte Quach. Dennoch: "Ich hoffe, dieses Experiment durchzuführen", fügte er hinzu.

Obwohl der Casimir-Effekt im Wesentlichen Energie aus dem Vakuum gewinnt, bemerkte Quach, dass dies nicht bedeutet, dass Vakuumenergie ein praktischer Weg ist, die Welt zu versorgen.

"Der Casimir-Effekt ist sehr, sehr klein", sagte Quach. "Es braucht viel Aufwand, um es zu entdecken, geschweige denn es als Energiequelle zu nutzen."

Quach detailliert seine Ergebnisse online 25. Februar in der Zeitschrift Physical Review Letters.

Lassen Sie Ihren Kommentar