Ο φυσικός που στοιχηματίζει ότι η βαρύτητα δεν μπορεί να κβαντιστεί | Περιοδικό Quanta

Οι περισσότεροι φυσικοί αναμένουν ότι όταν κάνουμε μεγέθυνση στον ιστό της πραγματικότητας, το αδιανόητο παράξενο της κβαντικής μηχανικής παραμένει μέχρι τις πολύ μικρές κλίμακες. Αλλά σε αυτές τις ρυθμίσεις, η κβαντομηχανική συγκρούεται με την κλασική βαρύτητα με έναν αποφασιστικά ασύμβατο τρόπο.

Έτσι, για σχεδόν έναν αιώνα, οι θεωρητικοί προσπάθησαν να δημιουργήσουν μια ενοποιημένη θεωρία κβαντίζοντας τη βαρύτητα ή σμιλεύοντάς την σύμφωνα με τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής. Ακόμα δεν τα έχουν καταφέρει.

Τζόναθαν Οπενχάιμ, που τρέχει ένα πρόγραμμα εξερεύνησης μετα-κβαντικών εναλλακτικών στο University College του Λονδίνου, υποψιάζεται ότι αυτό συμβαίνει επειδή η βαρύτητα απλά δεν μπορεί να συμπιεστεί σε ένα κβαντικό κουτί. Ίσως, υποστηρίζει, η υπόθεση μας ότι πρέπει να κβαντιστεί είναι λάθος. «Αυτή η άποψη είναι ριζωμένη», είπε. «Αλλά κανείς δεν ξέρει ποια είναι η αλήθεια».

Οι κβαντικές θεωρίες βασίζονται σε πιθανότητες και όχι σε βεβαιότητες. Για παράδειγμα, όταν μετράτε ένα κβαντικό σωματίδιο, δεν μπορείτε να προβλέψετε πού ακριβώς θα το βρείτε, αλλά μπορείτε να προβλέψετε την πιθανότητα να βρεθεί σε ένα συγκεκριμένο μέρος. Επιπλέον, όσο πιο σίγουροι είστε για τη θέση ενός σωματιδίου, τόσο λιγότερο σίγουροι είστε για την ορμή του. Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, οι φυσικοί σταδιακά βρήκαν τον ηλεκτρομαγνητισμό και άλλες δυνάμεις χρησιμοποιώντας αυτό το πλαίσιο. 

Αλλά όταν προσπάθησαν να κβαντίσουν τη βαρύτητα, έτρεξαν σε αφύσικα άπειρα που έπρεπε να παρακαμφθούν με αδέξια μαθηματικά κόλπα.

 Τα προβλήματα προκύπτουν επειδή η βαρύτητα είναι αποτέλεσμα του ίδιου του χωροχρόνου, παρά κάτι που δρα πάνω από αυτόν. Έτσι, εάν η βαρύτητα είναι κβαντισμένη, αυτό σημαίνει ότι ο χωροχρόνος είναι επίσης κβαντισμένος. Αλλά αυτό δεν λειτουργεί, επειδή η κβαντική θεωρία έχει νόημα μόνο σε ένα κλασικό χωροχρονικό υπόβαθρο — δεν μπορείτε να προσθέσετε και στη συνέχεια να εξελίξετε κβαντικές καταστάσεις πάνω από ένα αβέβαιο θεμέλιο. 

Για να αντιμετωπίσουν αυτή τη βαθιά εννοιολογική σύγκρουση, οι περισσότεροι θεωρητικοί στράφηκαν στη θεωρία χορδών, η οποία φαντάζεται ότι η ύλη και ο χωροχρόνος αναδύονται από μικροσκοπικές, δονούμενες χορδές. Μια μικρότερη φατρία κοίταξε να κυκλώσει την κβαντική βαρύτητα, η οποία αντικαθιστά τον ομαλό χωροχρόνο της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν με ένα δίκτυο αλληλοσυνδεδεμένων βρόχων. Και στις δύο θεωρίες, ο γνωστός, κλασικός μας κόσμος αναδύεται με κάποιο τρόπο από αυτά τα θεμελιωδώς κβαντικά δομικά στοιχεία. 

Ο Oppenheim ήταν αρχικά θεωρητικός χορδών και οι θεωρητικοί χορδών πιστεύουν στην υπεροχή της κβαντικής μηχανικής. Σύντομα όμως ένιωσε άβολα με τα περίτεχνα μαθηματικά ακροβατικά που έκαναν οι συνομήλικοί του για να αντιμετωπίσουν ένα από τα πιο διαβόητα προβλήματα στη σύγχρονη φυσική: παράδοξο πληροφοριών για την μαύρη τρύπα. 

Το 2017, ο Oppenheim άρχισε να ψάχνει για εναλλακτικές λύσεις που απέφευγαν το παράδοξο της πληροφορίας παίρνοντας τόσο τον κβαντικό όσο και τον κλασικό κόσμο ως θεμέλια. Έπεσε πάνω σε κάποιους που αγνοήθηκαν έρευνα σε κβαντοκλασικό υβριδικές θεωρίες από τη δεκαετία του 1990, που ήταν επέκταση και εξερεύνηση από τότε. Μελετώντας πώς αλληλεπιδρούν ο κλασικός και ο κβαντικός κόσμος, ο Oppenheim ελπίζει να βρει μια βαθύτερη θεωρία που δεν είναι ούτε κβαντική ούτε κλασική, αλλά κάποιο είδος υβριδίου. «Συχνά βάζουμε όλα τα αυγά μας σε λίγα καλάθια, όταν υπάρχουν πολλές δυνατότητες», είπε. 

Για να πω την άποψή του, ο Oppenheim πρόσφατα έβαλε στοίχημα με Τζεφ Πένινγκτον και Κάρλο Ροβέλι — ηγέτες στα αντίστοιχα πεδία της θεωρίας χορδών και της κβαντικής βαρύτητας βρόχου. Οι πιθανοτητες? 5,000-προς-1. Εάν η άποψη του Oppenheim είναι σωστή και ο χωροχρόνος δεν είναι κβαντισμένος, θα κερδίσει κουβάδες πατατάκια, πολύχρωμο πλαστικό μπαλάκια bazinga, ή σφηνάκια ελαιόλαδου, σύμφωνα με τη φαντασία του — αρκεί το κάθε είδος να κοστίζει το πολύ 20 πένες (περίπου 25 σεντς).

Συναντηθήκαμε σε ένα καφέ του βόρειου Λονδίνου γεμάτο βιβλία, όπου ξετύλιξε ήρεμα τις ανησυχίες του για το status quo της κβαντικής βαρύτητας και εξύμνησε την εκπληκτική ομορφιά αυτών των υβριδικών εναλλακτικών. «Θέουν κάθε είδους εξαιρετικά λεπτές ερωτήσεις», είπε. «Έχω χάσει πραγματικά τα πόδια μου προσπαθώντας να καταλάβω αυτά τα συστήματα». Αλλά επιμένει. 

«Θέλω τις 5,000 μπάλες μου bazinga».

Η συνέντευξη συμπυκνώθηκε και επεξεργάστηκε για λόγους σαφήνειας.

Γιατί οι περισσότεροι θεωρητικοί είναι τόσο σίγουροι ότι ο χωροχρόνος είναι κβαντισμένος;

Έχει γίνει δόγμα. Όλα τα άλλα πεδία στη φύση είναι κβαντισμένα. Υπάρχει μια αίσθηση ότι δεν υπάρχει τίποτα το ιδιαίτερο σχετικά με τη βαρύτητα - είναι απλώς ένα πεδίο όπως όλα τα άλλα - και ως εκ τούτου θα πρέπει να το ποσοτικοποιήσουμε.

Είναι η βαρύτητα ιδιαίτερη κατά την άποψή σας;

Ναί. Οι φυσικοί ορίζουν όλες τις άλλες δυνάμεις με βάση τα πεδία που εξελίσσονται στο χωροχρόνο. Η βαρύτητα από μόνη της μας λέει για τη γεωμετρία και την καμπυλότητα του ίδιου του χωροχρόνου. Καμία από τις άλλες δυνάμεις δεν περιγράφει την καθολική γεωμετρία του υποβάθρου στην οποία ζούμε όπως η βαρύτητα.

Προς το παρόν, η καλύτερη θεωρία μας για την κβαντική μηχανική χρησιμοποιεί αυτή τη δομή υποβάθρου του χωροχρόνου - την οποία ορίζει η βαρύτητα. Και αν πιστεύετε πραγματικά ότι η βαρύτητα είναι κβαντισμένη, τότε χάνουμε αυτή τη δομή του φόντου.

Τι είδους προβλήματα αντιμετωπίζετε εάν η βαρύτητα είναι κλασική και δεν είναι κβαντισμένη;

Για πολύ καιρό, η κοινότητα πίστευε ότι ήταν λογικά αδύνατο η βαρύτητα να είναι κλασική επειδή η σύζευξη ενός κβαντικού συστήματος με ένα κλασικό σύστημα θα οδηγούσε σε ασυνέπειες. Στη δεκαετία του 1950, ο Richard Feynman φαντάστηκε μια κατάσταση που φώτιζε το πρόβλημα: Ξεκίνησε με ένα τεράστιο σωματίδιο που βρίσκεται σε μια υπέρθεση δύο διαφορετικών θέσεων. Αυτές οι θέσεις θα μπορούσαν να είναι δύο τρύπες σε ένα μεταλλικό φύλλο, όπως στο περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής. Εδώ, το σωματίδιο συμπεριφέρεται επίσης σαν κύμα. Δημιουργεί ένα μοτίβο παρεμβολής ανοιχτόχρωμων και σκούρων λωρίδων στην άλλη πλευρά των σχισμών, γεγονός που καθιστά αδύνατο να γνωρίζουμε από ποια σχισμή πέρασε. Σε δημοφιλείς μαρτυρίες, το σωματίδιο μερικές φορές περιγράφεται ότι περνά και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα.

Αλλά επειδή το σωματίδιο έχει μάζα, δημιουργεί ένα βαρυτικό πεδίο που μπορούμε να μετρήσουμε. Και αυτό το βαρυτικό πεδίο μας λέει τη θέση του. Εάν το βαρυτικό πεδίο είναι κλασικό, μπορούμε να το μετρήσουμε με άπειρη ακρίβεια, να συμπεράνουμε τη θέση του σωματιδίου και να προσδιορίσουμε από ποια σχισμή πέρασε. Έτσι έχουμε μια παράδοξη κατάσταση — το μοτίβο παρεμβολής μας λέει ότι δεν μπορούμε να προσδιορίσουμε από ποια σχισμή πέρασε το σωματίδιο, αλλά το κλασικό βαρυτικό πεδίο μας επιτρέπει να κάνουμε ακριβώς αυτό.

Αλλά αν το βαρυτικό πεδίο είναι κβαντικό, δεν υπάρχει παράδοξο - η αβεβαιότητα εισχωρεί κατά τη μέτρηση του βαρυτικού πεδίου, και έτσι εξακολουθούμε να έχουμε αβεβαιότητα στον προσδιορισμό της θέσης του σωματιδίου.

Έτσι, εάν η βαρύτητα συμπεριφέρεται κλασικά, καταλήγετε να γνωρίζετε πάρα πολλά. Και αυτό σημαίνει ότι οι αγαπημένες ιδέες από την κβαντική μηχανική, όπως η υπέρθεση, καταρρέουν;

Ναι, το βαρυτικό πεδίο γνωρίζει πάρα πολλά. Αλλά υπάρχει ένα κενό στο επιχείρημα του Feynman που θα μπορούσε να επιτρέψει στην κλασική βαρύτητα να λειτουργήσει.

Ποιο είναι αυτό το κενό;

Ως έχει, γνωρίζουμε μόνο ποια διαδρομή πήρε το σωματίδιο επειδή παράγει ένα συγκεκριμένο βαρυτικό πεδίο που κάμπτει τον χωροχρόνο και μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε τη θέση του σωματιδίου. 

Αλλά αν αυτή η αλληλεπίδραση μεταξύ του σωματιδίου και του χωροχρόνου είναι τυχαία - ή απρόβλεπτη - τότε το ίδιο το σωματίδιο δεν υπαγορεύει πλήρως το βαρυτικό πεδίο. Πράγμα που σημαίνει ότι η μέτρηση του βαρυτικού πεδίου δεν καθορίζει πάντα από ποια σχισμή πέρασε το σωματίδιο επειδή το βαρυτικό πεδίο θα μπορούσε να βρίσκεται σε μία από τις πολλές καταστάσεις. Η τυχαιότητα εισχωρεί και δεν έχετε πλέον παράδοξο.

Γιατί λοιπόν περισσότεροι φυσικοί δεν πιστεύουν ότι η βαρύτητα είναι κλασική;

Λοιπόν, είναι λογικά δυνατό να έχουμε μια θεωρία στην οποία δεν κβαντίζουμε όλα τα πεδία. Αλλά για να είναι συνεπής μια κλασική θεωρία της βαρύτητας με οτιδήποτε άλλο έχει κβαντιστεί, τότε η βαρύτητα πρέπει να είναι θεμελιωδώς τυχαία. Για πολλούς φυσικούς αυτό είναι απαράδεκτο.

Γιατί;

Οι φυσικοί ξοδεύουν πολύ χρόνο προσπαθώντας να καταλάβουν πώς λειτουργεί η φύση. Έτσι, η ιδέα ότι υπάρχει, σε πολύ βαθύ επίπεδο, κάτι εγγενώς απρόβλεπτο είναι ανησυχητικό για πολλούς.

Το αποτέλεσμα των μετρήσεων στην κβαντική θεωρία φαίνεται να είναι πιθανολογικό. Αλλά πολλοί φυσικοί προτιμούν να πιστεύουν ότι αυτό που εμφανίζεται ως τυχαίο είναι απλώς το κβαντικό σύστημα και η συσκευή μέτρησης που αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον. Δεν το βλέπουν ως κάποιο θεμελιώδες χαρακτηριστικό της πραγματικότητας.

Τι προτείνεις αντ' αυτού;

Η καλύτερη εικασία μου είναι ότι η επόμενη θεωρία της βαρύτητας θα είναι κάτι που δεν είναι ούτε εντελώς κλασικό ούτε εντελώς κβαντικό, αλλά κάτι εντελώς άλλο.

Οι φυσικοί επινοούν μόνο μοντέλα που προσεγγίζουν τη φύση. Αλλά ως μια προσπάθεια για μια πιο στενή προσέγγιση, οι μαθητές μου και εγώ κατασκευάσαμε μια πλήρως συνεπή θεωρία στην οποία αλληλεπιδρούν τα κβαντικά συστήματα και ο κλασικός χωροχρόνος. Απλώς έπρεπε να τροποποιήσουμε ελαφρώς την κβαντική θεωρία και να τροποποιήσουμε ελαφρώς την κλασική γενική σχετικότητα για να επιτρέψουμε την κατανομή της προβλεψιμότητας που απαιτείται.

Γιατί ξεκινήσατε να εργάζεστε πάνω σε αυτές τις υβριδικές θεωρίες;

Παρακινήθηκα από το παράδοξο πληροφοριών για τη μαύρη τρύπα. Όταν ρίχνετε ένα κβαντικό σωματίδιο σε μια μαύρη τρύπα και στη συνέχεια αφήνετε αυτή τη μαύρη τρύπα να εξατμιστεί, αντιμετωπίζετε ένα παράδοξο εάν πιστεύετε ότι οι μαύρες τρύπες διατηρούν πληροφορίες. Η τυπική κβαντική θεωρία απαιτεί ότι οποιοδήποτε αντικείμενο ρίχνετε στη μαύρη τρύπα να ακτινοβολείται πίσω με κάποιον ανακατεμένο αλλά αναγνωρίσιμο τρόπο. Αλλά αυτό παραβιάζει τη γενική σχετικότητα, η οποία μας λέει ότι δεν μπορείτε ποτέ να μάθετε για αντικείμενα που διασχίζουν τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας.

Αλλά αν η διαδικασία εξάτμισης της μαύρης τρύπας είναι ακαθόριστη, τότε δεν υπάρχει παράδοξο. Δεν μαθαίνουμε ποτέ τι πετάχτηκε στη μαύρη τρύπα γιατί η προβλεψιμότητα καταρρέει. Η γενική σχετικότητα είναι ασφαλής.

Άρα ο θόρυβος σε αυτές τις κβαντοκλασικές υβριδικές θεωρίες επιτρέπει την απώλεια πληροφοριών;

Ακριβώς. 

Αλλά η διατήρηση της πληροφορίας είναι μια βασική αρχή στην κβαντική μηχανική. Το να χάσεις αυτό δεν είναι εύκολο για πολλούς θεωρητικούς.

Αυτό είναι αλήθεια. Υπήρξαν τεράστιες συζητήσεις σχετικά με αυτό τις τελευταίες δεκαετίες, και σχεδόν όλοι πίστευαν ότι η εξάτμιση της μαύρης τρύπας είναι ντετερμινιστική. Πάντα με προβληματίζει αυτό.

Θα λύσουν ποτέ τα πειράματα εάν η βαρύτητα είναι κβαντισμένη ή όχι;

Σε κάποιο σημείο. Δεν γνωρίζουμε ακόμα σχεδόν τίποτα για τη βαρύτητα στις μικρότερες κλίμακες. Δεν έχει δοκιμαστεί καν στην κλίμακα του χιλιοστού, πόσο μάλλον στην κλίμακα ενός πρωτονίου. Αλλά υπάρχουν μερικά συναρπαστικά πειράματα που έρχονται στο διαδίκτυο που θα το κάνουν αυτό.

Ενα είναι μια σύγχρονη εκδοχή του «πειράματος Cavendish», το οποίο υπολογίζει την ισχύ της βαρυτικής έλξης μεταξύ δύο μολύβδινων σφαιρών. Εάν υπάρχει τυχαιότητα στο βαρυτικό πεδίο, όπως σε αυτά τα κβαντικά-κλασικά υβρίδια, τότε όταν προσπαθήσουμε να μετρήσουμε τη δύναμή του δεν θα λάβουμε πάντα την ίδια απάντηση. Το βαρυτικό πεδίο θα κουνηθεί τριγύρω. Οποιαδήποτε θεωρία στην οποία η βαρύτητα είναι βασικά κλασική έχει ένα ορισμένο επίπεδο βαρυτικού θορύβου.

Πώς ξέρετε ότι αυτή η τυχαιότητα είναι εγγενής στο βαρυτικό πεδίο και όχι κάποιος θόρυβος από το περιβάλλον;

Δεν το κάνεις. Η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη δύναμη που ακόμη και τα καλύτερα πειράματα έχουν ήδη πολλή κίνηση μέσα τους. Πρέπει λοιπόν να εξαλείψετε όλες αυτές τις άλλες πηγές θορύβου όσο το δυνατόν περισσότερο. Αυτό που είναι συναρπαστικό είναι ότι οι μαθητές μου και εγώ δείξαμε ότι αν αυτές οι υβριδικές θεωρίες είναι αληθινές, πρέπει να υπάρχει κάποια ελάχιστη ποσότητα βαρυτικού θορύβου. Αυτό μπορεί να μετρηθεί με τη μελέτη ατόμων χρυσού σε ένα πείραμα διπλής σχισμής. Αυτά τα πειράματα θέτουν ήδη όρια στο εάν η βαρύτητα είναι θεμελιωδώς κλασική. Κλείνουμε σταδιακά το ύψος της απροσδιοριστίας που επιτρέπεται.

Από την άλλη πλευρά του στοιχήματος, υπάρχουν πειράματα που θα αποδεικνύουν ότι η βαρύτητα είναι κβαντισμένη;

Υπάρχουν προτεινόμενα πειράματα που αναζητούν εμπλοκή που μεσολαβεί το βαρυτικό πεδίο. Καθώς η εμπλοκή είναι ένα κβαντικό φαινόμενο, αυτό θα ήταν μια άμεση δοκιμή της κβαντικής φύσης της βαρύτητας. Αυτά τα πειράματα είναι πολύ συναρπαστικά, αλλά πιθανώς δεκαετίες μακριά.