Fysikeren, der satser på, at tyngdekraften ikke kan kvantificeres | Quanta Magasinet

De fleste fysikere forventer, at når vi zoomer ind på virkelighedens stof, fortsætter kvantemekanikkens uintuitive særhed ned til de allermindste skalaer. Men i disse indstillinger kolliderer kvantemekanikken med klassisk tyngdekraft på en resolut uforenelig måde.

Så i næsten et århundrede har teoretikere forsøgt at skabe en samlet teori ved at kvantisere tyngdekraften eller skulpturere den efter kvantemekanikkens regler. Det er stadig ikke lykkedes dem.

Jonathan Oppenheim, der kører et program, der udforsker post-kvante alternativer på University College London, formoder, at det skyldes, at tyngdekraften simpelthen ikke kan presses ind i en kvantekasse. Måske, hævder han, er vores formodning om, at det skal kvantificeres, forkert. "Den opfattelse er indgroet," sagde han. "Men ingen ved, hvad sandheden er."

Kvanteteorier er baseret på sandsynligheder snarere end sikkerheder. Når du for eksempel måler en kvantepartikel, kan du ikke forudsige præcis, hvor du vil finde den, men du kan forudsige sandsynligheden for, at den bliver fundet et bestemt sted. Hvad mere er, jo mere sikker du er på en partikels placering, jo mindre sikker er du på dens momentum. I løbet af det 20. århundrede fik fysikere gradvist mening med elektromagnetisme og andre kræfter ved at bruge denne ramme. 

Men da de forsøgte at kvantificere tyngdekraften, løb de ind i unaturlige uendeligheder, der måtte omgås med klodsede matematiske tricks.

 Problemerne opstår, fordi tyngdekraften er et resultat af rumtiden i sig selv, snarere end noget, der virker oven på den. Så hvis tyngdekraften er kvantificeret, betyder det, at rum-tid også er kvantificeret. Men det virker ikke, for kvanteteori giver kun mening på baggrund af en klassisk rum-tid - du kan ikke tilføje og derefter udvikle kvantetilstande oven på et usikkert grundlag. 

For at håndtere denne dybe konceptuelle konflikt, vendte de fleste teoretikere sig til strengteori, som forestiller sig, at stof og rum-tid opstår fra små, vibrerende strenge. En mindre fraktion så til at sløjfe kvantetyngdekraften, som erstatter den glatte rumtid i Einsteins generelle relativitetsteori med et netværk af sammenlåste sløjfer. I begge teorier opstår vores velkendte, klassiske verden på en eller anden måde fra disse grundlæggende kvantebyggesten. 

Oppenheim var oprindeligt en strengteoretiker, og strengteoretikere tror på kvantemekanikkens forrang. Men han blev hurtigt utilpas med den omfattende matematiske akrobatik, som hans jævnaldrende udførte for at tackle et af de mest berygtede problemer i moderne fysik: sort hul information paradoks. 

I 2017 begyndte Oppenheim at søge efter alternativer, der undgik informationsparadokset ved at tage både kvanteverdenen og den klassiske verden som grundsten. Han faldt over nogle oversete forskning på kvante-klassisk hybride teorier fra 1990'erne, hvilket han har været strækker , udforske lige siden. Ved at studere, hvordan den klassiske og kvanteverden hænger sammen, håber Oppenheim at finde en dybere teori, der hverken er kvante eller klassisk, men en slags hybrid. "Ofte lægger vi alle vores æg i nogle få kurve, når der er masser af muligheder," sagde han. 

For at gøre hans pointe, Oppenheim for nylig lavede et væddemål med Geoff Penington , Carlos Rovelli — ledere inden for deres respektive områder af strengteori og sløjfekvantetyngdekraft. Chancerne? 5,000-til-1. Hvis Oppenheims anelse er korrekt, og rumtiden ikke er kvantificeret, står han til at vinde spandevis af kartoffelchips, farverig plastik bazinga bolde, eller shots af olivenolie, efter hans lyst - så længe hver vare højst koster 20 pence (ca. 25 cents).

Vi mødtes i en nordlondon café fyldt med bøger, hvor han roligt pakkede sine bekymringer ud over kvantetyngdekraftens status quo og hyldede den overraskende skønhed ved disse hybride alternativer. "De rejser alle slags bemærkelsesværdigt subtile spørgsmål," sagde han. "Jeg har virkelig mistet mine fødder i forsøget på at forstå disse systemer." Men han holder ud. 

"Jeg vil have mine 5,000 bazinga-bolde."

Interviewet er blevet kondenseret og redigeret for klarhedens skyld.

Hvorfor er de fleste teoretikere så sikre på, at rum-tid er kvantificeret?

Det er blevet dogme. Alle de andre felter i naturen er kvantificerede. Der er en følelse af, at der ikke er noget særligt ved tyngdekraften - det er bare et felt som ethvert andet - og derfor bør vi kvantificere det.

Er tyngdekraften speciel efter din mening?

Ja. Fysikere definerer alle de andre kræfter i form af felter, der udvikler sig i rum-tid. Tyngdekraften alene fortæller os om rumtidens geometri og krumning. Ingen af ​​de andre kræfter beskriver den universelle baggrundsgeometri, som vi lever i, som tyngdekraften gør.

I øjeblikket bruger vores bedste teori om kvantemekanik denne baggrundsstruktur af rum-tid - som tyngdekraften definerer. Og hvis du virkelig tror på, at tyngdekraften er kvantificeret, så mister vi den baggrundsstruktur.

Hvilken slags problemer støder du ind i, hvis tyngdekraften er klassisk og ikke kvantificeret?

I lang tid troede samfundet, at det var logisk umuligt for tyngdekraften at være klassisk, fordi kobling af et kvantesystem med et klassisk system ville føre til uoverensstemmelser. I 1950'erne forestillede Richard Feynman sig en situation, der belyste problemet: Han begyndte med en massiv partikel, der er i en superposition af to forskellige steder. Disse steder kunne være to huller i en metalplade, som i det berømte dobbeltspalteeksperiment. Her opfører partiklen sig også som en bølge. Det skaber et interferensmønster af lyse og mørke striber på den anden side af slidserne, hvilket gør det umuligt at vide, hvilken slids den gik igennem. I populære beretninger beskrives partiklen nogle gange som at gå gennem begge spalter på én gang.

Men da partiklen har masse, skaber den et gravitationsfelt, som vi kan måle. Og det gravitationsfelt fortæller os dets placering. Hvis gravitationsfeltet er klassisk, kan vi måle det med uendelig præcision, udlede partiklens placering og bestemme, hvilken spalte den gik igennem. Så vi har en paradoksal situation - interferensmønsteret fortæller os, at vi ikke kan bestemme, hvilken spalte partiklen gik igennem, men det klassiske gravitationsfelt lader os gøre netop det.

Men hvis gravitationsfeltet er kvante, er der ikke noget paradoks - usikkerheden sniger sig ind, når man måler gravitationsfeltet, og derfor har vi stadig usikkerhed med hensyn til at bestemme partiklens placering.

Så hvis tyngdekraften opfører sig klassisk, ender du med at vide for meget. Og det betyder, at elskede ideer fra kvantemekanikken, som superposition, går i stykker?

Ja, gravitationsfeltet ved for meget. Men der er et smuthul i Feynmans argument, der kunne tillade klassisk tyngdekraft at fungere.

Hvad er det smuthul?

Som det står, ved vi kun, hvilken vej partiklen tog, fordi den producerer et bestemt gravitationsfelt, der bøjer rum-tid og giver os mulighed for at bestemme partiklens placering. 

Men hvis denne interaktion mellem partiklen og rum-tid er tilfældig - eller uforudsigelig - så dikterer partiklen i sig selv ikke helt gravitationsfeltet. Hvilket betyder, at måling af gravitationsfeltet ikke altid vil afgøre, hvilken spalte partiklen gik igennem, fordi gravitationsfeltet kunne være i en af ​​mange tilstande. Tilfældigheden kommer snigende, og man har ikke længere et paradoks.

Så hvorfor tror flere fysikere ikke, at tyngdekraften er klassisk?

Nå, det er logisk muligt at have en teori, hvor vi ikke kvantiserer alle felterne. Men for at en klassisk teori om tyngdekraft skal være i overensstemmelse med alt andet, der kvantificeres, så skal tyngdekraften være grundlæggende tilfældig. For mange fysikere er det uacceptabelt.

Hvorfor?

Fysikere bruger meget tid på at finde ud af, hvordan naturen fungerer. Så tanken om, at der på et meget dybt plan er noget, der i sagens natur er uforudsigeligt, er bekymrende for mange.

Resultatet af målinger inden for kvanteteori ser ud til at være sandsynligt. Men mange fysikere foretrækker at tro, at det, der fremstår som tilfældighed, blot er kvantesystemet og måleapparatet, der interagerer med omgivelserne. De ser det ikke som et grundlæggende træk ved virkeligheden.

Hvad foreslår du i stedet?

Mit bedste gæt er, at den næste teori om tyngdekraften vil være noget, der hverken er helt klassisk eller helt kvante, men noget helt andet.

Fysikere kommer kun nogensinde med modeller, der tilnærmer naturen. Men som et forsøg på en nærmere tilnærmelse konstruerede mine elever og jeg en fuldstændig konsistent teori, hvor kvantesystemer og klassisk rum-tid interagerer. Vi var bare nødt til at modificere kvanteteorien lidt og modificere den klassiske generelle relativitetsteori lidt for at tillade den nedbrydning af forudsigelighed, der kræves.

Hvorfor begyndte du at arbejde med disse hybridteorier?

Jeg var motiveret af det sorte huls informationsparadoks. Når du kaster en kvantepartikel ind i et sort hul og derefter lader det sorte hul fordampe, støder du på et paradoks, hvis du tror, ​​at sorte huller bevarer information. Standard kvanteteori kræver, at uanset hvilken genstand, du kaster ind i det sorte hul, bliver udstrålet tilbage på en forvrænget, men genkendelig måde. Men det bryder med den generelle relativitetsteori, som fortæller os, at man aldrig kan vide om objekter, der krydser det sorte huls begivenhedshorisont.

Men hvis fordampningsprocessen for det sorte hul er indeterministisk, er der intet paradoks. Vi lærer aldrig, hvad der blev kastet i det sorte hul, fordi forudsigeligheden bryder sammen. Generel relativitetsteori er sikker.

Så støjen i disse kvante-klassiske hybridteorier tillader information at gå tabt?

Præcis. 

Men informationsbevaring er et nøgleprincip i kvantemekanikken. At miste dette kan ikke være let for mange teoretikere.

Det er rigtigt. Der var store debatter om dette i de seneste årtier, og næsten alle kom til at tro, at fordampning af sorte hul er deterministisk. Det undrer jeg mig altid over.

Vil eksperimenter nogensinde afgøre, om tyngdekraften er kvantificeret eller ej?

På et tidspunkt. Vi ved stadig næsten intet om tyngdekraften på de mindste skalaer. Det er ikke engang blevet testet til millimeterskalaen, endsige til en protons skala. Men der kommer nogle spændende eksperimenter online, som vil gøre det.

Den ene er en moderne version af "Cavendish-eksperimentet", som beregner styrken af ​​tyngdekraftens tiltrækning mellem to blykugler. Hvis der er tilfældighed i gravitationsfeltet, som i disse kvante-klassiske hybrider, vil vi ikke altid få det samme svar, når vi prøver at måle dets styrke. Tyngdefeltet vil svinge rundt. Enhver teori, hvor gravitation grundlæggende er klassisk, har et vist niveau af gravitationsstøj.

Hvordan ved du, at denne tilfældighed er iboende til gravitationsfeltet og ikke noget støj fra omgivelserne?

Det gør du ikke. Tyngdekraften er så svag en kraft, at selv de bedste eksperimenter allerede har en masse jiggle i sig. Så du er nødt til at fjerne alle disse andre støjkilder så meget som muligt. Det spændende er, at mine elever og jeg viste, at hvis disse hybridteorier er sande, skal der være en minimal mængde gravitationsstøj. Dette kan måles ved at studere guldatomer i et dobbeltspaltet eksperiment. Disse eksperimenter sætter allerede grænser for, om tyngdekraften grundlæggende er klassisk. Vi nærmer os gradvist den tilladte mængde ubestemthed.

På bagsiden af ​​væddemålet, er der nogen eksperimenter, der kunne bevise, at tyngdekraften er kvantificeret?

Der er foreslåede forsøg der leder efter sammenfiltring medieret af gravitationsfeltet. Da sammenfiltring er et kvantefænomen, ville det være en direkte test af tyngdekraftens kvantenatur. Disse eksperimenter er meget spændende, men sandsynligvis årtier væk.