Radykalna teoria, która konsekwentnie jednoczy grawitację i mechanikę kwantową, zachowując jednocześnie klasyczną koncepcję czasoprzestrzeni Einsteina, została dziś ogłoszona w dwóch artykułach opublikowanych jednocześnie przez fizyków z UCL (University College London).
Współczesna fizyka opiera się na dwóch filarach: z jednej strony teorii kwantowej, która rządzi najmniejszymi cząsteczkami we wszechświecie, oraz ogólnej teorii względności Einsteina z drugiej, która wyjaśnia grawitację poprzez zakrzywienie czasoprzestrzeni. Jednak te dwie teorie są ze sobą sprzeczne, a pojednanie pozostaje nieuchwytne od ponad stulecia.
Dominowało założenie, że teoria grawitacji Einsteina musi zostać zmodyfikowana, czyli „skwantowana”, aby dopasować się do teorii kwantowej. Takie jest podejście dwóch czołowych kandydatów na kwantową teorię grawitacji, teorię strun i pętlową grawitację kwantową.
Jednak nowa teoria, opracowana przez profesora Jonathana Oppenheima (UCL Physics & Astronomy) i przedstawiona w nowym artykule w Physical Review X (PRX), podważa ten konsensus i przyjmuje alternatywne podejście, sugerując, że czasoprzestrzeń może być klasyczna – to znaczy , w ogóle nie podlegające teorii kwantowej.
Zamiast modyfikować czasoprzestrzeń, teoria ta – nazywana „postkwantową teorią klasycznej grawitacji” – modyfikuje teorię kwantową i przewiduje wewnętrzne załamanie przewidywalności, w którym pośredniczy sama czasoprzestrzeń. Powoduje to przypadkowe i gwałtowne fluktuacje w czasoprzestrzeni, które są większe niż przewidywano w teorii kwantowej, co sprawia, że pozorna waga obiektów jest nieprzewidywalna, jeśli jest mierzona wystarczająco precyzyjnie.
Drugi artykuł, opublikowany jednocześnie w Nature Communications i kierowany przez byłych doktorantów profesora Oppenheima, przygląda się niektórym konsekwencjom tej teorii i proponuje eksperyment mający na celu jej sprawdzenie: bardzo precyzyjny pomiar masy w celu sprawdzenia, czy jej waga wydaje się wahać w czas.
Na przykład Międzynarodowe Biuro Miar i Wag we Francji rutynowo waży masę o wadze 1 kg, co kiedyś było standardem 1 kg. Jeżeli wahania w pomiarach tego 1kg masy są mniejsze niż wymagane dla spójności matematycznej, teorię można wykluczyć.
Wynik eksperymentu lub inne pojawiające się dowody potwierdzające kwantową i klasyczną naturę czasoprzestrzeni są przedmiotem zakładu o kursie 5000:1 pomiędzy profesorem Oppenheimem, profesorem Carlo Rovellim i dr Geoffem Peningtonem – czołowymi zwolennikami grawitacji w pętli kwantowej i teorii strun.
Przez ostatnie pięć lat grupa badawcza UCL testowała tę teorię i badała jej konsekwencje.
Profesor Oppenheim powiedział: „Teoria kwantowa i ogólna teoria względności Einsteina są ze sobą matematycznie niezgodne, dlatego ważne jest, aby zrozumieć, w jaki sposób rozwiązuje się tę sprzeczność. Czy czasoprzestrzeń powinna być skwantowana, czy też powinniśmy zmodyfikować teorię kwantową, czy też jest to coś zupełnie innego? Teraz, gdy mamy spójną podstawową teorię, według której czasoprzestrzeń nie jest kwantyzowana, pozostaje tylko zgadywać.”
Współautor Zach Weller-Davies, który jako doktorant na UCL pomógł opracować propozycję eksperymentu i wniósł kluczowy wkład w samą teorię, powiedział: „To odkrycie podważa nasze zrozumienie podstawowej natury grawitacji, ale oferuje także możliwości zbadania jej potencjalna natura kwantowa.
„Wykazaliśmy, że jeśli czasoprzestrzeń nie ma natury kwantowej, to muszą występować przypadkowe wahania krzywizny czasoprzestrzeni, które mają szczególną sygnaturę, którą można zweryfikować eksperymentalnie.
„Zarówno w przypadku grawitacji kwantowej, jak i klasycznej, czasoprzestrzeń musi wokół nas podlegać gwałtownym i przypadkowym fluktuacjom, ale na skalę, której nie byliśmy jeszcze w stanie wykryć. Ale jeśli czasoprzestrzeń jest klasyczna, fluktuacje muszą być większe niż określonej skali, a skalę tę można wyznaczyć w innym eksperymencie, w którym sprawdzamy, jak długo możemy umieścić ciężki atom w superpozycji* przebywania w dwóch różnych lokalizacjach.
Współautorzy dr Carlo Sparaciari i dr Barbara Šoda, których obliczenia analityczne i numeryczne pomogły w kierowaniu projektem, wyrazili nadzieję, że eksperymenty te pozwolą określić, czy dążenie do kwantowej teorii grawitacji jest właściwym podejściem.
Dr Šoda (dawniej UCL Physics & Astronomy, obecnie w Perimeter Institute of Theoretical Physics w Kanadzie) powiedział: „Ponieważ grawitacja objawia się poprzez zakrzywienie przestrzeni i czasu, możemy myśleć o tym pytaniu w kategoriach, czy prędkość, z jaką upływ czasu ma naturę kwantową, czyli klasyczną.
„A sprawdzenie tego jest prawie tak proste, jak sprawdzenie, czy ciężar masy jest stały, czy też wydaje się zmieniać w określony sposób”.
Dr Sparaciari (UCL Physics & Astronomy) powiedział: „Chociaż koncepcja eksperymentu jest prosta, ważenie obiektu należy przeprowadzić z niezwykłą precyzją.
„Ale ekscytujące jest to, że wychodząc z bardzo ogólnych założeń, możemy udowodnić wyraźny związek między dwiema mierzalnymi wielkościami – skalą fluktuacji czasoprzestrzeni i tym, jak długo obiekty takie jak atomy czy jabłka można umieścić w kwantowej superpozycji dwóch różnych Następnie możemy określić te dwie wielkości eksperymentalnie.”
Weller-Davies dodał: „Jeśli cząstki kwantowe, takie jak atomy, są w stanie zakrzywiać klasyczną czasoprzestrzeń, musi istnieć delikatna zależność. Musi istnieć zasadniczy kompromis pomiędzy falową naturą atomów a wielkością przypadkowych fluktuacji czasoprzestrzeni” – dodał Weller-Davies. .”
Propozycja sprawdzenia, czy czasoprzestrzeń jest klasyczna poprzez poszukiwanie przypadkowych fluktuacji masy, stanowi uzupełnienie innej propozycji eksperymentalnej, której celem jest weryfikacja kwantowej natury czasoprzestrzeni poprzez poszukiwanie czegoś zwanego „splątaniem za pośrednictwem grawitacji”.
Profesor Sougato Bose (UCL Physics & Astronomy), który nie był zaangażowany w dzisiejsze ogłoszenie, ale był jedną z osób, które jako pierwsze zaproponowały eksperyment splątania, powiedział: „Eksperymenty mające na celu sprawdzenie natury czasoprzestrzeni będą wymagały wysiłku na dużą skalę, ale “Mają ogromne znaczenie z punktu widzenia zrozumienia podstawowych praw natury. Wierzę, że te eksperymenty są w zasięgu ręki – trudno to przewidzieć, ale być może odpowiedź poznamy w ciągu najbliższych 20 lat.”
Teoria postkwantowa ma konsekwencje wykraczające poza grawitację. Niesławny i problematyczny „postulat pomiaru” teorii kwantów nie jest potrzebny, ponieważ superpozycje kwantowe z konieczności lokalizują się poprzez ich interakcję z klasyczną czasoprzestrzenią.
Motywacją tej teorii była próba rozwiązania problemu informacji o czarnych dziurach przez profesora Oppenheima. Zgodnie ze standardową teorią kwantową obiekt wchodzący do czarnej dziury powinien zostać w jakiś sposób wypromieniowany, ponieważ informacji nie można zniszczyć, ale narusza to ogólną teorię względności, która mówi, że nigdy nie można dowiedzieć się o obiektach, które przecinają horyzont zdarzeń czarnej dziury. Nowa teoria pozwala na zniszczenie informacji w wyniku zasadniczego załamania przewidywalności.
* Informacje ogólne
Tło mechaniki kwantowej: Cała materia we wszechświecie podlega prawom teorii kwantowej, ale tak naprawdę zachowanie kwantów obserwujemy jedynie w skali atomów i cząsteczek. Teoria kwantowa mówi nam, że cząstki podlegają zasadzie nieoznaczoności Heisenberga i nigdy nie możemy poznać jednocześnie ich położenia ani prędkości. Tak naprawdę nie mają nawet określonego położenia ani prędkości, dopóki ich nie zmierzymy. Cząstki takie jak elektrony mogą zachowywać się bardziej jak fale i zachowywać się prawie tak, jakby mogły znajdować się w wielu miejscach na raz (dokładniej fizycy opisują cząstki jako znajdujące się w „superpozycji” różnych lokalizacji).
Teoria kwantowa reguluje wszystko, od półprzewodników wszechobecnych w chipach komputerowych, przez lasery, nadprzewodnictwo, aż po rozpad radioaktywny. Natomiast mówimy, że system zachowuje się klasycznie, jeśli ma określone właściwości podstawowe. Kot wydaje się zachowywać klasycznie – jest albo martwy, albo żywy, a nie jedno i drugie, ani też nie jest w superpozycji bycia martwym i żywym. Dlaczego koty zachowują się klasycznie, a małe cząsteczki kwantowo? Nie wiemy, ale teoria postkwantowa nie wymaga postulatu pomiaru, ponieważ klasyczność czasoprzestrzeni infekuje układy kwantowe i powoduje ich lokalizację.
Tło grawitacyjne: Teoria grawitacji Newtona ustąpiła miejsca ogólnej teorii względności Einsteina (GR), która utrzymuje, że grawitacja nie jest siłą w zwykłym tego słowa znaczeniu. Zamiast tego ciężkie obiekty, takie jak słońce, zaginają strukturę czasoprzestrzeni w taki sposób, że Ziemia obraca się wokół niej. Czasoprzestrzeń to po prostu obiekt matematyczny składający się z trzech wymiarów przestrzeni i czasu uznawanego za czwarty wymiar. Ogólna teoria względności przewidywała powstawanie czarnych dziur i Wielki Wybuch. Zakłada, że czas płynie z różną szybkością w różnych punktach przestrzeni, a GPS w Twoim smartfonie musi to uwzględnić, aby prawidłowo określić Twoją lokalizację.
Kontekst historyczny: Struktura zaprezentowana przez Oppenheima w PRX oraz w towarzyszącej mu pracy ze Sparaciarim, Šodą i Weller-Daviesem wyprowadza najbardziej ogólną spójną formę dynamiki, w której układ kwantowy oddziałuje z układem klasycznym. Następnie stosuje te ramy do przypadku ogólnej teorii względności w połączeniu z kwantową teorią pól. Opiera się na wcześniejszych pracach i społeczności fizyków. Bose i in. zaproponowali eksperyment mający na celu sprawdzenie kwantowej natury grawitacji poprzez splątanie za pośrednictwem grawitacji. glin. oraz przez C. Marletto i V. Vadrala. Dwa przykłady spójnej dynamiki klasyczno-kwantowej odkryli w latach 90. Ph. Blanchard i A. Jadzyk oraz Lajos Diosi i ponownie David Poulin około 2017 r. Z innej perspektywy, w 2014 r. model grawitacji newtonowskiej sprzężonej z kwantową systemów poprzez podejście „pomiaru i sprzężenia zwrotnego” zaprezentowali Diosi i Antoinne Tilloy w 2016 r. oraz D Kafri, J. Taylor i G. Milburn w 2014 r. Pomysł, że grawitacja może być w jakiś sposób powiązana z zapadnięciem się funkcji falowej sięgają F. Karolyhazy (1966), L. Diosi (1987) i R. Penrose (1996). To, że sprzężenia klasyczno-kwantowe mogą wyjaśnić lokalizację funkcji falowej, zasugerowali inni, w tym M. Hall i M. Reginatto, Diosi i Tilloy oraz David Poulin. Pomysł, że czasoprzestrzeń może być klasyczna, sięga I. Sato (1950) i C. Mollera (1962), ale jak dotąd nie znaleziono spójnej teorii.