Füüsik, kes teeb kihla, et gravitatsiooni ei saa kvantifitseerida | Ajakiri Quanta

Enamik füüsikuid eeldab, et kui me suumime reaalsuse struktuuri, püsib kvantmehaanika ebaintuitiivne veidrus kuni kõige väiksemate skaaladeni. Kuid nendes seadetes põrkab kvantmehaanika klassikalise gravitatsiooniga kindlalt kokkusobimatul viisil.

Nii on teoreetikud peaaegu sajandi jooksul püüdnud luua ühtset teooriat gravitatsiooni kvantiseerimise või kvantmehaanika reeglite järgi skulptuuride abil. Need pole ikka veel õnnestunud.

Jonathan Oppenheim, kes juhib Londoni ülikooli kolledžis kvantijärgseid alternatiive uurivat programmi, kahtlustab, et selle põhjuseks on asjaolu, et gravitatsiooni lihtsalt ei saa kvantkasti suruda. Võib-olla, väidab ta, on meie eeldus, et see tuleb kvantifitseerida, vale. "See vaade on juurdunud," ütles ta. "Kuid keegi ei tea, mis on tõde."

Kvantteooriad põhinevad pigem tõenäosustel kui kindlustel. Näiteks kvantosakese mõõtmisel ei saa te täpselt ennustada, kust te selle leiate, kuid saate ennustada tõenäosust, et see teatud kohast leitakse. Veelgi enam, mida kindlam olete osakese asukohas, seda vähem kindel olete selle impulsi suhtes. 20. sajandi jooksul mõistsid füüsikud seda raamistikku kasutades järk-järgult elektromagnetismi ja muid jõude. 

Kuid kui nad püüdsid gravitatsiooni kvantifitseerida, sattusid nad ebaloomulikesse lõpmatustesse, millest tuli mööda hiilida kohmakate matemaatiliste nippidega.

 Probleemid tekivad seetõttu, et gravitatsioon tuleneb pigem aegruumist endast kui millestki, mis sellele peale toimib. Nii et kui gravitatsioon on kvantiseeritud, tähendab see, et kvantifitseeritakse ka aegruum. Kuid see ei tööta, sest kvantteoorial on mõtet ainult klassikalise aegruumi taustal – te ei saa lisada ja seejärel arendada kvantolekuid ebakindla aluse peal. 

Selle sügava kontseptuaalse konflikti lahendamiseks pöördus enamik teoreetikuid stringiteooria poole, mis kujutab ette, et mateeria ja aegruum tekivad pisikestest vibreerivatest stringidest. Väiksem fraktsioon otsis kvantgravitatsiooni silmust, mis asendab Einsteini üldrelatiivsusteooria sujuva aegruumi blokeeritud silmuste võrgustikuga. Mõlema teooria puhul kerkib meie tuttav klassikaline maailm nendest põhimõtteliselt kvantehitusplokkidest välja. 

Oppenheim oli algselt stringiteoreetik ja stringiteoreetikud usuvad kvantmehaanika ülimuslikkusse. Kuid ta tundis peagi ebamugavust keeruka matemaatilise akrobaatika pärast, mida tema eakaaslased tegid, et lahendada tänapäeva füüsika üks kurikuulsamaid probleeme: musta augu teabe paradoks. 

2017. aastal asus Oppenheim otsima alternatiive, mis vältisid infoparadoksi, võttes aluspõhjaks nii kvant- kui ka klassikalise maailma. Ta komistas mõne tähelepanuta jäänud inimese peale teadustöö kvantklassika kohta hübriidteooriad 1990. aastatest, mida ta on olnud laiendades ja uurida sellest ajast. Klassikalise ja kvantmaailma omavahelist seost uurides loodab Oppenheim leida sügavama teooria, mis pole ei kvant- ega klassikaline, vaid mingi hübriid. "Tihti paneme kõik munad paari korvi, kui võimalusi on palju," ütles ta. 

Et oma seisukohta väljendada, Oppenheim hiljuti tegi kihlveo koos Geoff Penington ja Carlo rovelli — liidrid oma stringiteooria ja ahela kvantgravitatsiooni valdkondades. koefitsiendid? 5,000-1. Kui Oppenheimi aimdus on õige ja aegruum pole kvantifitseeritud, võib ta võita ämbritäie kartulikrõpse, värvilist plastikut bazinga pallid, või oliiviõli ampsud, vastavalt tema väljamõeldusele – seni, kuni iga ese maksab kõige rohkem 20 penni (umbes 25 senti).

Kohtusime Põhja-Londoni raamatutega ääristatud kohvikus, kus ta pakkis rahulikult lahti oma mured kvantgravitatsiooni status quo pärast ja ülistas nende hübriidsete alternatiivide üllatavat ilu. "Nad tõstatavad igasuguseid märkimisväärselt peeneid küsimusi," ütles ta. "Ma olen tõesti kaotanud oma jalad, püüdes neid süsteeme mõista." Aga ta peab vastu. 

"Ma tahan oma 5,000 bazinga palli."

Intervjuu on selguse huvides tihendatud ja redigeeritud.

Miks on enamik teoreetikuid nii kindlad, et aegruum on kvantiseeritud?

Sellest on saanud dogma. Kõik teised väljad looduses on kvantiseeritud. On tunne, et gravitatsioonis pole midagi erilist – see on lihtsalt väli nagu iga teinegi – ja seetõttu peaksime selle kvantifitseerima.

Kas gravitatsioon on teie arvates eriline?

Jah. Füüsikud määratlevad kõik muud jõud aegruumis arenevate väljade kaudu. Ainuüksi gravitatsioon räägib meile aegruumi enda geomeetriast ja kõverusest. Ükski teine ​​jõud ei kirjelda universaalset taustageomeetriat, milles me elame nagu gravitatsioon.

Praegu kasutab meie parim kvantmehaanika teooria seda aegruumi tauststruktuuri, mille gravitatsioon määrab. Ja kui te tõesti usute, et gravitatsioon on kvantiseeritud, siis me kaotame selle tauststruktuuri.

Milliste probleemidega puutute kokku, kui gravitatsioon on klassikaline ja mitte kvantifitseeritud?

Pikka aega uskus kogukond, et gravitatsioonil on loogiliselt võimatu olla klassikaline, kuna kvantsüsteemi ühendamine klassikalise süsteemiga tooks kaasa ebakõlad. 1950. aastatel kujutas Richard Feynman ette olukorda, mis probleemi valgustas: ta alustas massiivsest osakesest, mis asub kahe erineva asukoha superpositsioonis. Need kohad võivad olla kaks auku metalllehes, nagu kuulsas topeltpiluga katses. Siin käitub osake ka nagu laine. See loob pilude teisele küljele heledatest ja tumedatest triipudest koosneva interferentsimustri, mis muudab võimatuks teada, millise pilu see läbis. Populaarsetel kontodel kirjeldatakse mõnikord, et osake läbib mõlemad pilud korraga.

Kuid kuna osakesel on mass, loob see gravitatsioonivälja, mida saame mõõta. Ja see gravitatsiooniväli ütleb meile selle asukoha. Kui gravitatsiooniväli on klassikaline, saame mõõta seda lõpmatu täpsusega, järeldada osakese asukohta ja määrata, millise pilu see läbis. Seega on meil paradoksaalne olukord – interferentsi muster ütleb meile, et me ei saa kindlaks teha, millise pilu osake läbis, kuid klassikaline gravitatsiooniväli võimaldab meil just seda teha.

Aga kui gravitatsiooniväli on kvant, siis paradoksi pole – gravitatsioonivälja mõõtmisel hiilib sisse ebakindlus ja seega on meil osakese asukoha määramisel endiselt ebakindlust.

Nii et kui gravitatsioon käitub klassikaliselt, teate lõpuks liiga palju. Ja see tähendab, et kvantmehaanika hinnalised ideed, nagu superpositsioon, lagunevad?

Jah, gravitatsiooniväli teab liiga palju. Kuid Feynmani argumendis on lünk, mis võib võimaldada klassikalisel gravitatsioonil töötada.

Mis see lünk on?

Praegusel kujul teame ainult seda, millise tee osake võttis, sest see tekitab kindla gravitatsioonivälja, mis painutab aegruumi ja võimaldab meil määrata osakese asukoha. 

Kuid kui see osakese ja aegruumi vaheline interaktsioon on juhuslik või ettearvamatu, siis ei dikteeri osake ise täielikult gravitatsioonivälja. Mis tähendab, et gravitatsioonivälja mõõtmine ei määra alati kindlaks, millise pilu osake läbis, sest gravitatsiooniväli võib olla ühes paljudest olekutest. Juhuslikkus hiilib sisse ja teil pole enam paradoksi.

Miks siis rohkem füüsikuid ei arva, et gravitatsioon on klassikaline?

Noh, loogiliselt on võimalik omada teooriat, milles me ei kvantifitseeri kõiki välju. Kuid selleks, et klassikaline gravitatsiooniteooria oleks kooskõlas kõige muu kvantifitseeritavaga, peab gravitatsioon olema põhimõtteliselt juhuslik. Paljude füüsikute jaoks on see vastuvõetamatu.

Miks?

Füüsikud kulutavad palju aega looduse toimimise väljaselgitamiseks. Nii et mõte, et väga sügaval tasandil on midagi loomupäraselt ettearvamatut, on paljude jaoks murettekitav.

Mõõtmiste tulemus kvantteoorias näib olevat tõenäosuslik. Kuid paljud füüsikud eelistavad arvata, et see, mis näib juhuslikkusena, on lihtsalt kvantsüsteem ja mõõteaparaat, mis suhtleb keskkonnaga. Nad ei pea seda mingiks reaalsuse põhijooneks.

Mida sa selle asemel välja pakud?

Minu parim oletus on, et järgmine gravitatsiooniteooria on midagi, mis ei ole täiesti klassikaline ega täielikult kvant, vaid midagi muud.

Füüsikud toovad alati välja ainult looduslähedasi mudeleid. Kuid lähema lähendamise katsena konstrueerisime koos õpilastega täielikult järjepideva teooria, milles kvantsüsteemid ja klassikaline aegruum interakteeruvad. Pidime lihtsalt kvantteooriat veidi modifitseerima ja veidi muutma klassikalist üldrelatiivsusteooriat, et võimaldada vajalikku prognoositavust.

Miks hakkasite nende hübriidteooriate kallal töötama?

Mind ajendas musta augu infoparadoks. Kui viskate kvantosakese musta auku ja lasete siis sellel mustal augul aurustuda, kogete paradoksi, kui usute, et mustad augud säilitavad teavet. Standardne kvantteooria nõuab, et mis tahes objekt, mille te musta auku viskate, kiirgaks tagasi mingil segatud, kuid äratuntaval viisil. Kuid see rikub üldist relatiivsust, mis ütleb meile, et te ei saa kunagi teada objektidest, mis ületavad musta augu sündmuste horisondi.

Kuid kui musta augu aurustumisprotsess on indeterministlik, siis pole paradoksi. Me ei saa kunagi teada, mis musta auku visati, sest ennustatavus laguneb. Üldrelatiivsusteooria on ohutu.

Nii et müra nendes kvantklassikalistes hübriidteooriates võimaldab teavet kaotada?

Täpselt. 

Kuid teabe säilitamine on kvantmehaanika põhiprintsiip. Selle kaotamine pole paljudele teoreetikutele lihtne.

See on tõsi. Viimastel aastakümnetel on selle üle olnud tohutuid vaidlusi ja peaaegu kõik hakkasid uskuma, et mustade aukude aurustumine on deterministlik. Olen sellest alati hämmingus.

Kas katsed lahenevad kunagi, kui gravitatsiooni kvantifitseeritakse või mitte?

Mingil hetkel. Me ei tea gravitatsioonist kõige väiksematel kaaludel ikka veel peaaegu mitte midagi. Seda pole isegi millimeetri skaalal testitud, rääkimata prootoni mõõtkavast. Kuid võrgus on saadaval põnevaid katseid, mis seda teevad.

üks on tänapäevane versioon "Cavendishi eksperimendist", mis arvutab kahe juhtsfääri vahelise gravitatsioonilise külgetõmbe tugevuse. Kui gravitatsiooniväljas on juhuslikkus, nagu nendes kvant-klassikalistes hübriidides, siis selle tugevust mõõtes ei saa me alati sama vastust. Gravitatsiooniväli liigub ringi. Igal teoorial, milles gravitatsioon on põhimõtteliselt klassikaline, on gravitatsioonimüra teatud tase.

Kuidas sa tead, et see juhuslikkus on gravitatsiooniväljale omane, mitte mingi keskkonnamüra?

Sa ei tee seda. Gravitatsioon on nii nõrk jõud, et isegi parimates katsetes on juba palju värisemist. Seega peate kõik need muud müraallikad nii palju kui võimalik kõrvaldama. Põnev on see, et mu õpilased ja mina näitasime, et kui need hübriidteooriad vastavad tõele, peab gravitatsioonimüra olema minimaalne. Seda saab mõõta kahe piluga katses kullaaatomeid uurides. Need katsed seavad juba piirid sellele, kas gravitatsioon on põhimõtteliselt klassikaline. Me hakkame järk-järgult piirama lubatud määramatust.

Kas panuse tagaküljel on katseid, mis tõestaksid, et gravitatsioon on kvantiseeritud?

Seal on pakutud katsed mis otsivad gravitatsioonivälja poolt vahendatud takerdumist. Kuna takerdumine on kvantnähtus, oleks see gravitatsiooni kvantloomuse otsene test. Need katsed on väga põnevad, kuid tõenäoliselt aastakümnete kaugusel.