Ett forskarteam under ledning av University of Warwick har utvecklat det första enhetliga ramverket för att upptäcka ”rumtidsfluktuationer” – små, slumpmässiga förvrängningar i rumtidens struktur som uppträder i många försök att förena kvantfysik och gravitation.
Dessa subtila fluktuationer, som först föreställdes av fysikern John Wheeler, tros uppstå naturligt i flera ledande teorier om kvantgravitation. Men eftersom olika modeller av gravitation förutsäger olika former av dessa fluktuationer har experimentella team hittills saknat tydliga riktlinjer för vad de ska leta efter.
Hur det nya ramverket fungerar
Den nya studien, publicerad i Nature Communications, tar itu med denna utmaning genom att sortera fluktuationer i rumtiden i tre breda kategorier, var och en definierad av hur organiserade fluktuationerna är i rum och tid. För varje kategori kartlade forskarna de distinkta, mätbara signaturer som skulle visas i laserinterferometrar – från den 4 km långa LIGO till kompakta laboratoriesystem som QUEST och GQuEST som utvecklas i Storbritannien (Cardiff University) respektive USA (Caltech).
Dr Sharmila Balamurugan, biträdande professor vid University of Warwick och försteförfattare, säger: ”Olika gravitationsmodeller förutsäger mycket olika underliggande trender i de slumpmässiga rymd-tid-fluktuationerna, vilket har lämnat experimentella forskare utan ett tydligt mål. Vårt arbete ger den första enhetliga guiden som översätter dessa abstrakta, teoretiska förutsägelser till konkreta, mätbara signaler.
Det innebär att vi nu kan testa en hel klass av kvantgravitationsförutsägelser med hjälp av befintliga interferometrar, istället för att vänta på helt nya tekniker. Detta är ett viktigt steg mot att föra några av de mest grundläggande frågorna inom fysiken in i experimentets värld.”
Viktiga slutsatser
Studien fann att:
- Bordsinterferometrar slår LIGO i bandbredd. Trots att de är mycket mindre än LIGO kan QUEST och GQuEST ge mer detaljerad information om rymdtidens fluktuationer. Deras breda frekvensomfång gör att de kan detektera alla karakteristiska signaturer.
- LIGO är en utmärkt ”ja/nej”-detektor. Tack vare sina långa armkaviteter är LIGO mycket känslig för själva förekomsten av rymdtidfluktuationer – även om de relevanta frekvenserna ligger över det intervall som för närvarande är tillgängligt i offentliga data.
- En långvarig debatt är löst. En debatt om huruvida armkaviteter hjälper eller hindrar detektering har fått sitt svar, eftersom armkaviteter här förbättrar interferometerns känslighet för rymdtidfluktuationer, beroende på vilken typ av fluktuation som testas.
Dr Sander Vermeulen, Caltech, medförfattare till studien, sa: ”Interferometrar kan mäta rymdtiden med extraordinär precision. Men för att mäta rymdtidsfluktuationer med en interferometer måste vi veta var – dvs. vid vilken frekvens – vi ska leta, och hur signalen kommer att se ut. Med vårt ramverk kan vi nu förutsäga detta för ett brett spektrum av teorier. Våra resultat visar att interferometrar är kraftfulla och mångsidiga verktyg i jakten på kvantgravitation.”
Bredare implikationer och framtida riktningar
Det är viktigt att notera att det nya ramverket som utvecklats här är oberoende av den underliggande mekanismen för fluktuationerna: det kräver endast en matematisk beskrivning av de hypotetiska fluktuationerna och instrumentets geometri. Detta gör det till ett kraftfullt verktyg inte bara för kvantgravitationstester utan också för sökandet efter stokastiska gravitationsvågor, tecken på mörk materia och vissa former av instrumentbrus.
Prof Animesh Datta, professor i teoretisk fysik vid Warwick, sammanfattade: ”Med denna metodik kan vi nu behandla alla föreslagna modeller av rymd-tid-fluktuationer på ett konsekvent och jämförbart sätt. Under de kommande åren kan vi använda detta för att utforma smartare bordsinterferometrar för att bekräfta eller motbevisa möjliga teorier om kvant- eller semiklassisk gravitation och till och med testa nya idéer om mörk materia och stokastiska gravitationsvågor.”
Publikationsuppgifter
B. Sharmila et al, Signatures of correlation of spacetime fluctuations in laser interferometers, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-67313-3