الفيزيائي الذي يراهن على أن الجاذبية لا يمكن قياسها | مجلة كوانتا

يتوقع معظم الفيزيائيين أنه عندما نقوم بتكبير نسيج الواقع ، فإن الغرابة غير البديهية لميكانيكا الكم تستمر حتى أصغر المقاييس. لكن في تلك الظروف ، تصطدم ميكانيكا الكم بالجاذبية الكلاسيكية بطريقة غير متوافقة تمامًا.

لذلك ، على مدى قرن تقريبًا ، حاول المنظرون إنشاء نظرية موحدة عن طريق قياس الجاذبية ، أو نحتها وفقًا لقواعد ميكانيكا الكم. ما زالوا لم ينجحوا.

جوناثان أوبنهايم، الذي يدير برنامجًا لاستكشاف بدائل ما بعد الكم في يونيفرسيتي كوليدج لندن ، يعتقد أن ذلك لأن الجاذبية ببساطة لا يمكن ضغطها في صندوق كمي. ربما ، كما يجادل ، افتراضنا بأنه يجب تحديده كميًا هو افتراض خاطئ. قال "هذا الرأي متأصل". "لكن لا أحد يعرف ما هي الحقيقة."

تستند نظريات الكم على الاحتمالات وليس اليقين. على سبيل المثال ، عندما تقيس جسيمًا كميًا ، لا يمكنك التنبؤ بالضبط بمكان العثور عليه ، ولكن يمكنك التنبؤ باحتمالية العثور عليه في مكان معين. والأكثر من ذلك ، أنه كلما زاد تيقنك من موقع الجسيم ، قل تيقنك من زخمه. على مدار القرن العشرين ، أدرك الفيزيائيون تدريجيًا معنى الكهرومغناطيسية والقوى الأخرى التي تستخدم هذا الإطار. 

لكن عندما حاولوا قياس الجاذبية ، واجهوا اللانهايات غير الطبيعية التي كان لابد من تجنبها بحيل رياضية خرقاء.

 تنشأ المشاكل لأن الجاذبية هي نتيجة للزمكان نفسه ، وليس شيئًا يعمل فوقه. لذلك إذا تم تحديد مقدار الجاذبية ، فهذا يعني أن الزمان والمكان يتم تحديده كميًا أيضًا. لكن هذا لا ينجح ، لأن نظرية الكم منطقية فقط مقابل الخلفية الكلاسيكية للزمكان - لا يمكنك إضافة الحالات الكمية ثم تطويرها فوق أساس غير مؤكد. 

للتعامل مع هذا الصراع المفاهيمي العميق ، تحول معظم المنظرين إلى نظرية الأوتار ، التي تتخيل أن المادة والزمكان ينبثقان من أوتار صغيرة مهتزة. بدا فصيل أصغر في حلقة الجاذبية الكمومية ، والتي تحل محل الزمكان السلس للنسبية العامة لأينشتاين بشبكة من الحلقات المتشابكة. في كلتا النظريتين ، ينبثق عالمنا الكلاسيكي المألوف بطريقة ما من هذه اللبنات الأساسية الكمومية. 

كان أوبنهايم في الأصل مُنظِّرًا للأوتار ، ويؤمن منظرو الأوتار بأولوية ميكانيكا الكم. لكنه سرعان ما أصبح غير مرتاح للألعاب البهلوانية الرياضية المعقدة التي يؤديها أقرانه لمعالجة واحدة من أكثر المشاكل شهرة في الفيزياء الحديثة: مفارقة معلومات الثقب الأسود. 

في عام 2017 ، بدأ أوبنهايم البحث عن بدائل تجنبت مفارقة المعلومات من خلال أخذ العالمين الكمي والكلاسيكي كأساس. لقد عثر على بعض التجاهل بحث على الكم الكلاسيكي نظريات هجينة من التسعينيات ، وهو ما كان عليه إطالة و استكشاف منذ ذلك الحين. من خلال دراسة كيفية الترابط بين العالمين الكلاسيكي والكمي ، يأمل أوبنهايم في إيجاد نظرية أعمق ليست كمومية ولا كلاسيكية ، ولكنها نوع من الهجين. قال: "غالبًا ما نضع كل بيضنا في سلال قليلة ، عندما يكون هناك الكثير من الاحتمالات". 

لتوضيح وجهة نظره ، أوبنهايم مؤخرًا قدم رهان مع جيف بينينغتون و كارلو روفيلي - رواد في مجالات تخصصهم في نظرية الأوتار والجاذبية الكمومية الحلقية. احتمالات؟ 5,000 إلى 1. إذا كان حدس أوبنهايم صحيحًا ولم يكن الزمكان محددًا ، فسيكون قادرًا على الفوز بكميات كبيرة من رقائق البطاطس والبلاستيك الملون كرات bazinga، أو لقطات من زيت الزيتون ، حسب تخيله - طالما أن كل عنصر يكلف 20 بنسًا (حوالي 25 سنتًا) على الأكثر.

التقينا في مقهى شمال لندن مليء بالكتب ، حيث تفكك بهدوء مخاوفه بشأن حالة الجاذبية الكمية الراهنة وأشاد بالجمال المذهل لهذه البدائل الهجينة. قال: "إنهم يطرحون جميع أنواع الأسئلة الدقيقة بشكل ملحوظ". "لقد فقدت قدمي حقًا وأنا أحاول فهم هذه الأنظمة." لكنه يثابر. 

"أريد كرات bazinga التي تبلغ 5,000."

تم اختصار المقابلة وتحريرها من أجل الوضوح.

لماذا معظم المنظرون على يقين من أن الزمكان محدد؟

لقد أصبح عقيدة. يتم تحديد جميع المجالات الأخرى في الطبيعة. هناك شعور بأنه لا يوجد شيء مميز حول الجاذبية - إنه مجرد مجال مثل أي مجال آخر - وبالتالي يجب علينا تحديده كميا.

هل الجاذبية خاصة من وجهة نظرك؟

نعم. يعرف الفيزيائيون جميع القوى الأخرى من حيث المجالات التي تتطور في الزمكان. تخبرنا الجاذبية وحدها عن هندسة وانحناء الزمكان نفسه. لا تصف أي من القوى الأخرى هندسة الخلفية العالمية التي نعيش فيها مثل الجاذبية.

في الوقت الحالي ، تستخدم أفضل نظرية لدينا لميكانيكا الكم بنية الخلفية للزمكان - والتي تحددها الجاذبية. وإذا كنت تعتقد حقًا أن الجاذبية محددة ، فإننا نفقد بنية الخلفية تلك.

ما أنواع المشكلات التي تواجهها إذا كانت الجاذبية كلاسيكية وليست محددة كميًا؟

لفترة طويلة ، اعتقد المجتمع أنه من المستحيل منطقيًا أن تكون الجاذبية كلاسيكية لأن اقتران نظام كمي بنظام كلاسيكي سيؤدي إلى تناقضات. في الخمسينيات من القرن الماضي ، تخيل ريتشارد فاينمان موقفًا ألقى الضوء على المشكلة: بدأ بجسيم ضخم في تراكب موقعين مختلفين. يمكن أن تكون هذه المواقع عبارة عن فتحتين في لوح معدني ، كما في تجربة الشق المزدوج الشهيرة. هنا ، يتصرف الجسيم أيضًا مثل الموجة. إنها تخلق نمط تداخل من خطوط فاتحة ومظلمة على الجانب الآخر من الشقوق ، مما يجعل من المستحيل معرفة الشق الذي مر من خلاله. في الروايات الشائعة ، يوصف الجسيم أحيانًا بأنه يمر عبر الشقين في وقت واحد.

ولكن بما أن الجسيم له كتلة ، فإنه يخلق مجال جاذبية يمكننا قياسه. ويخبرنا حقل الجاذبية هذا بموقعه. إذا كان مجال الجاذبية كلاسيكيًا ، فيمكننا قياسه بدقة غير محدودة ، واستنتاج موقع الجسيم ، وتحديد الشق الذي مر به. إذن لدينا حالة متناقضة - يخبرنا نمط التداخل أنه لا يمكننا تحديد الشق الذي مر به الجسيم ، لكن مجال الجاذبية الكلاسيكي يتيح لنا القيام بذلك.

ولكن إذا كان مجال الجاذبية كميًا ، فلا توجد مفارقة - يتسلل عدم اليقين عند قياس مجال الجاذبية ، وبالتالي لا يزال لدينا عدم اليقين في تحديد موقع الجسيم.

لذلك إذا كانت الجاذبية تتصرف بشكل تقليدي ، ينتهي بك الأمر بمعرفة الكثير. وهذا يعني أن الأفكار العزيزة من ميكانيكا الكم ، مثل التراكب ، تتفكك؟

نعم ، مجال الجاذبية يعرف الكثير. لكن هناك ثغرة في حجة فاينمان يمكن أن تسمح للجاذبية الكلاسيكية بالعمل.

ما هذه الثغرة؟

كما هو الحال ، نحن نعرف فقط المسار الذي سلكه الجسيم لأنه ينتج مجال جاذبية محدد ينحني الزمكان ويسمح لنا بتحديد موقع الجسيم. 

ولكن إذا كان هذا التفاعل بين الجسيم والزمان عشوائيًا - أو لا يمكن التنبؤ به - فإن الجسيم نفسه لا يملي تمامًا مجال الجاذبية. مما يعني أن قياس مجال الجاذبية لن يحدد دائمًا الشق الذي يمر به الجسيم لأن مجال الجاذبية يمكن أن يكون في إحدى الحالات العديدة. العشوائية تزحف ، ولم يعد لديك مفارقة.

فلماذا لا يعتقد المزيد من الفيزيائيين أن الجاذبية كلاسيكية؟

حسنًا ، من الممكن منطقيًا أن يكون لدينا نظرية لا نقيم فيها جميع الحقول. ولكن لكي تتوافق نظرية الجاذبية الكلاسيكية مع كل شيء آخر يتم تكميمه ، يجب أن تكون الجاذبية عشوائية في الأساس. بالنسبة لكثير من الفيزيائيين ، هذا غير مقبول.

لماذا؟

يقضي الفيزيائيون الكثير من الوقت في محاولة اكتشاف كيفية عمل الطبيعة. لذا فإن فكرة وجود شيء لا يمكن التنبؤ به على مستوى عميق للغاية مقلقة للكثيرين.

يبدو أن نتيجة القياسات داخل نظرية الكم احتمالية. لكن العديد من الفيزيائيين يفضلون الاعتقاد بأن ما يظهر كعشوائية هو مجرد نظام الكم وجهاز القياس الذي يتفاعل مع البيئة. إنهم لا يرون أنها ميزة أساسية للواقع.

ماذا تقترح بدلا من ذلك؟

أفضل تخميني هو أن نظرية الجاذبية التالية ستكون شيئًا ليس كلاسيكيًا تمامًا ولا كموميًا تمامًا ، ولكنه شيء آخر تمامًا.

لا يبتكر الفيزيائيون سوى نماذج تقريبية للطبيعة. ولكن كمحاولة لتقريب أقرب ، قمت أنا وطلابي ببناء نظرية متسقة تمامًا تتفاعل فيها أنظمة الكم والزمكان الكلاسيكي. كان علينا فقط تعديل نظرية الكم بشكل طفيف وتعديل النسبية العامة الكلاسيكية بشكل طفيف للسماح بتفكيك القدرة على التنبؤ المطلوب.

لماذا بدأت العمل على هذه النظريات الهجينة؟

لقد كنت مدفوعًا بمفارقة معلومات الثقب الأسود. عندما ترمي جسيمًا كميًا في ثقب أسود ثم تترك هذا الثقب الأسود يتبخر ، فإنك تواجه مفارقة إذا كنت تعتقد أن الثقوب السوداء تحافظ على المعلومات. تتطلب نظرية الكم القياسية أن أي جسم ترميه في الثقب الأسود يُشع للخارج بطريقة مختلطة ولكن يمكن التعرف عليها. لكن هذا ينتهك النسبية العامة ، التي تخبرنا أنه لا يمكنك أبدًا معرفة الأشياء التي تعبر أفق حدث الثقب الأسود.

ولكن إذا كانت عملية تبخر الثقب الأسود غير محددة ، فلا يوجد تناقض. نحن لا نتعلم أبدًا ما الذي تم إلقاؤه في الثقب الأسود لأن القدرة على التنبؤ تتعطل. النسبية العامة آمنة.

إذن ، الضجيج في هذه النظريات الكمومية الهجينة يسمح بضياع المعلومات؟

بالضبط. 

لكن الحفاظ على المعلومات هو مبدأ أساسي في ميكانيكا الكم. إن فقدان هذا لا يمكن أن ينسجم بسهولة مع العديد من المنظرين.

هذا صحيح. كانت هناك مناقشات ضخمة حول هذا في العقود الأخيرة ، وتوصل الجميع تقريبًا إلى الاعتقاد بأن تبخر الثقب الأسود أمر حتمي. أنا دائما في حيرة من ذلك.

هل ستحل التجارب يومًا ما إذا كانت الجاذبية محددة أم لا؟

في مرحلة ما. ما زلنا لا نعرف شيئًا تقريبًا عن الجاذبية في أصغر المقاييس. لم يتم اختباره حتى على مقياس المليمتر ، ناهيك عن مقياس البروتون. ولكن هناك بعض التجارب المثيرة القادمة عبر الإنترنت والتي ستفعل ذلك.

واحد هو نسخة حديثة من "تجربة كافنديش" ، التي تحسب قوة الجاذبية بين كرتين رئيسيتين. إذا كانت هناك عشوائية في مجال الجاذبية ، كما هو الحال في هذه الهجينة الكلاسيكية الكمومية ، فعندما نحاول ونقيس قوتنا لن نحصل دائمًا على نفس الإجابة. سوف يهتز مجال الجاذبية. أي نظرية تكون فيها الجاذبية كلاسيكية بشكل أساسي لها مستوى معين من ضوضاء الجاذبية.

كيف تعرف أن هذه العشوائية متأصلة في مجال الجاذبية وليست ضوضاء من البيئة؟

لم تكن. الجاذبية قوة ضعيفة لدرجة أن أفضل التجارب لديها بالفعل الكثير من الاهتزاز فيها. لذلك عليك التخلص من كل مصادر الضوضاء الأخرى هذه قدر الإمكان. الأمر المثير هو أنني وطلابي أظهرنا أنه إذا كانت هذه النظريات الهجينة صحيحة ، فلا بد أن يكون هناك قدر ضئيل من ضوضاء الجاذبية. يمكن قياس ذلك من خلال دراسة ذرات الذهب في تجربة الشق المزدوج. تضع هذه التجارب بالفعل قيودًا على ما إذا كانت الجاذبية كلاسيكية في الأساس. نحن نقترب تدريجيًا من مقدار عدم التحديد المسموح به.

على الجانب الآخر من الرهان ، هل هناك أي تجارب من شأنها أن تثبت أن الجاذبية محددة كميا؟

هناك التجارب المقترحة التي تبحث عن التشابك بوساطة مجال الجاذبية. نظرًا لأن التشابك ظاهرة كمومية ، فسيكون ذلك اختبارًا مباشرًا لطبيعة الجاذبية الكمية. هذه التجارب مثيرة للغاية ، لكنها ربما تفصلنا عقودًا.