فیزیکدانی که شرط می‌بندد گرانش را نمی‌توان کوانتیزه کرد | مجله کوانتا

بیشتر فیزیکدانان انتظار دارند که وقتی روی تار و پود واقعیت زوم می کنیم، عجیب و غریب مکانیک کوانتومی تا کوچکترین مقیاس ها ادامه پیدا کند. اما در این تنظیمات، مکانیک کوانتومی به روشی کاملاً ناسازگار با گرانش کلاسیک برخورد می‌کند.

بنابراین، برای تقریباً یک قرن، نظریه پردازان تلاش کرده اند تا با کمی کردن گرانش، یا مجسمه سازی آن بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی، یک نظریه واحد ایجاد کنند. آنها هنوز موفق نشده اند.

جاناتان اوپنهایماو که برنامه ای را برای کاوش جایگزین های پسا کوانتومی در دانشگاه کالج لندن اجرا می کند، مشکوک است که به این دلیل است که گرانش به سادگی نمی تواند در یک جعبه کوانتومی فشرده شود. شاید، او استدلال می کند، فرض ما مبنی بر اینکه باید کوانتیزه شود، اشتباه باشد. او گفت: «این دیدگاه ریشه‌دار است. "اما هیچ کس نمی داند حقیقت چیست."

نظریه های کوانتومی بر اساس احتمالات است تا قطعیت ها. به عنوان مثال، وقتی یک ذره کوانتومی را اندازه گیری می کنید، نمی توانید دقیقاً جایی که آن را پیدا خواهید کرد، پیش بینی کنید، اما می توانید احتمال پیدا شدن آن را در یک مکان خاص پیش بینی کنید. علاوه بر این، هرچه در مورد مکان یک ذره مطمئن تر باشید، در مورد تکانه آن اطمینان کمتری دارید. در طول قرن بیستم، فیزیکدانان به تدریج با استفاده از این چارچوب به الکترومغناطیس و سایر نیروها پی بردند. 

اما هنگامی که آنها سعی کردند گرانش را کمی کنند، به بی نهایت های غیر طبیعی برخورد کردند که باید با ترفندهای ریاضی ناشیانه کنار گذاشته می شد.

 مشکلات به این دلیل به وجود می آیند که گرانش نتیجه خود فضا-زمان است، نه چیزی که در بالای آن عمل می کند. بنابراین اگر گرانش کوانتیزه شود، به این معنی است که فضا-زمان نیز کوانتیزه می شود. اما این کار نمی کند، زیرا نظریه کوانتومی فقط در برابر یک پس زمینه کلاسیک فضا-زمان معنا می یابد - شما نمی توانید حالت های کوانتومی را در بالای یک پایه نامشخص اضافه کنید و سپس تکامل دهید. 

برای مقابله با این تضاد مفهومی عمیق، اکثر نظریه پردازان به نظریه ریسمان روی آوردند، که تصور می کند ماده و فضا-زمان از ریسمان های کوچک و ارتعاشی پدید می آیند. یک جناح کوچکتر به دنبال حلقه گرانش کوانتومی بود که فضا-زمان صاف نسبیت عام انیشتین را با شبکه ای از حلقه های به هم پیوسته جایگزین می کند. در هر دو نظریه، دنیای کلاسیک و آشنای ما به نحوی از این بلوک‌های سازنده اساسا کوانتومی بیرون می‌آید. 

اوپنهایم در اصل یک نظریه پرداز ریسمان بود و نظریه پردازان ریسمان به تقدم مکانیک کوانتومی معتقدند. اما او به زودی با حرکات آکروباتیک ریاضی مفصلی که همسالانش برای مقابله با یکی از بدنام ترین مسائل در فیزیک مدرن انجام می دادند ناراحت شد: پارادوکس اطلاعات سیاه چاله. 

در سال 2017، اوپنهایم شروع به جستجو برای جایگزین هایی کرد که با در نظر گرفتن هر دو جهان کوانتومی و کلاسیک به عنوان سنگ بستر، از پارادوکس اطلاعاتی اجتناب کنند. او به طور تصادفی با برخی نادیده گرفته شد تحقیق در کوانتومی کلاسیک نظریه های ترکیبی از دهه 1990، که او بوده است گسترش و بررسی تا بحال. اوپنهایم امیدوار است با مطالعه چگونگی ارتباط بین دنیای کلاسیک و کوانتومی، نظریه عمیق‌تری بیابد که نه کوانتومی است و نه کلاسیک، بلکه نوعی ترکیبی است. او گفت: «اغلب همه تخم‌های خود را در چند سبد قرار می‌دهیم، در حالی که امکانات زیادی وجود دارد. 

اوپنهایم اخیراً برای بیان نظرش شرط بندی کرد با جف پنینگتون و کارلو روولی - رهبران در زمینه های مربوط به نظریه ریسمان و گرانش کوانتومی حلقه. شانس؟ 5,000 به 1. اگر قوز اوپنهایم درست باشد و فضا-زمان کوانتیزه نشود، او می‌تواند سطل‌های چیپس سیب‌زمینی، پلاستیک رنگارنگ را به دست آورد. توپ های بازینگا، یا شات های روغن زیتون، مطابق میل او - تا زمانی که قیمت هر مورد حداکثر 20 پنس (حدود 25 سنت) باشد.

ما در کافه‌ای در شمال لندن مملو از کتاب ملاقات کردیم، جایی که او با آرامش نگرانی‌های خود را در مورد وضعیت موجود گرانش کوانتومی آشکار کرد و زیبایی شگفت‌انگیز این جایگزین‌های ترکیبی را تمجید کرد. او گفت: «آنها انواع سؤالات بسیار ظریف را مطرح می کنند. "من واقعاً در تلاش برای درک این سیستم ها پاهایم را گم کرده ام." اما او استقامت می کند. 

من 5,000 توپ بازینگای خود را می خواهم.

مصاحبه برای شفافیت فشرده و ویرایش شده است.

چرا اکثر نظریه پردازان اینقدر مطمئن هستند که فضا-زمان کوانتیزه شده است؟

تبدیل به جزم شده است. تمام میدان های دیگر در طبیعت کوانتیزه می شوند. این احساس وجود دارد که هیچ چیز خاصی در مورد گرانش وجود ندارد - این فقط یک میدان است مانند میدان های دیگر - و بنابراین ما باید آن را کمی کنیم.

آیا جاذبه از نظر شما خاص است؟

آره. فیزیکدانان همه نیروهای دیگر را بر حسب میدان های تکامل یافته در فضا-زمان تعریف می کنند. گرانش به تنهایی به ما درباره هندسه و انحنای خود فضا-زمان می گوید. هیچ یک از نیروهای دیگر هندسه پس زمینه جهانی را که ما در آن زندگی می کنیم مانند گرانش توصیف نمی کنند.

در حال حاضر، بهترین نظریه مکانیک کوانتومی ما از این ساختار پس‌زمینه فضا-زمان استفاده می‌کند - که گرانش آن را تعریف می‌کند. و اگر واقعاً باور دارید که گرانش کوانتیزه شده است، پس ما آن ساختار پس زمینه را از دست می دهیم.

اگر گرانش کلاسیک باشد و کوانتیزه نشده باشد، با چه نوع مشکلاتی مواجه می شوید؟

برای مدت طولانی، جامعه معتقد بود که منطقاً غیرممکن است که گرانش کلاسیک باشد زیرا جفت شدن یک سیستم کوانتومی با یک سیستم کلاسیک منجر به ناسازگاری می شود. در دهه 1950، ریچارد فاینمن موقعیتی را تصور کرد که مشکل را روشن کرد: او با یک ذره عظیم شروع کرد که در یک برهم نهی از دو مکان مختلف قرار دارد. این مکان ها می توانند مانند آزمایش معروف دو شکاف دو سوراخ در یک ورق فلزی باشند. در اینجا، ذره نیز مانند یک موج رفتار می کند. این یک الگوی تداخلی از نوارهای روشن و تیره در طرف دیگر شکاف ها ایجاد می کند که باعث می شود نتوان فهمید از کدام شکاف عبور کرده است. در حساب‌های رایج، گاهی اوقات ذره به‌صورتی توصیف می‌شود که از هر دو شکاف می‌گذرد.

اما از آنجایی که ذره جرم دارد، میدان گرانشی ایجاد می کند که می توانیم آن را اندازه گیری کنیم. و آن میدان گرانشی مکان آن را به ما می گوید. اگر میدان گرانشی کلاسیک باشد، می‌توانیم آن را با دقت بی‌نهایت اندازه‌گیری کنیم، مکان ذره را استنتاج کنیم و تعیین کنیم که از کدام شکاف عبور کرده است. بنابراین ما یک موقعیت متناقض داریم - الگوی تداخل به ما می گوید که نمی توانیم تعیین کنیم که ذره از کدام شکاف عبور کرده است، اما میدان گرانشی کلاسیک به ما این امکان را می دهد.

اما اگر میدان گرانشی کوانتومی باشد، تناقضی وجود ندارد - عدم قطعیت هنگام اندازه‌گیری میدان گرانشی به وجود می‌آید، و بنابراین ما هنوز در تعیین مکان ذره با عدم قطعیت روبرو هستیم.

بنابراین اگر گرانش به صورت کلاسیک رفتار کند، در نهایت بیش از حد می دانید. و این بدان معناست که ایده های ارزشمند مکانیک کوانتومی، مانند برهم نهی، شکسته می شوند؟

بله، میدان گرانشی بیش از حد می داند. اما شکافی در استدلال فاینمن وجود دارد که می تواند به گرانش کلاسیک اجازه کار بدهد.

آن روزنه چیست؟

همانطور که وجود دارد، ما فقط می دانیم که ذره کدام مسیر را طی کرده است زیرا یک میدان گرانشی مشخص ایجاد می کند که فضا-زمان را خم می کند و به ما امکان می دهد مکان ذره را تعیین کنیم. 

اما اگر این برهمکنش بین ذره و فضا-زمان تصادفی - یا غیرقابل پیش بینی باشد - آنگاه خود ذره به طور کامل میدان گرانشی را دیکته نمی کند. این بدان معناست که اندازه گیری میدان گرانشی همیشه تعیین نمی کند که ذره از کدام شکاف عبور کرده است، زیرا میدان گرانشی می تواند در یکی از چندین حالت باشد. تصادفی رخ می دهد و شما دیگر تناقض ندارید.

پس چرا بیشتر فیزیکدانان گرانش را کلاسیک نمی دانند؟

خب، منطقاً می‌توان نظریه‌ای داشت که در آن همه میدان‌ها را کوانتیزه نکنیم. اما برای اینکه یک نظریه کلاسیک گرانش با هر چیز دیگری که کوانتیزه می شود سازگار باشد، پس گرانش باید اساساً تصادفی باشد. برای بسیاری از فیزیکدانان این غیرقابل قبول است.

چرا؟

فیزیکدانان زمان زیادی را صرف تلاش برای کشف چگونگی کارکرد طبیعت می کنند. بنابراین این ایده که در سطحی بسیار عمیق، چیزی ذاتاً غیرقابل پیش بینی وجود دارد، برای بسیاری نگران کننده است.

به نظر می رسد که نتیجه اندازه گیری ها در نظریه کوانتومی احتمالی باشد. اما بسیاری از فیزیکدانان ترجیح می دهند فکر کنند آنچه به عنوان تصادفی به نظر می رسد فقط سیستم کوانتومی و دستگاه اندازه گیری است که با محیط در تعامل است. آنها آن را به عنوان یک ویژگی اساسی واقعیت نمی بینند.

در عوض چه چیزی را پیشنهاد می کنید؟

بهترین حدس من این است که نظریه بعدی گرانش چیزی است که نه کاملاً کلاسیک است و نه کاملاً کوانتومی، بلکه کاملاً چیز دیگری است.

فیزیکدانان فقط مدل هایی را ارائه می کنند که طبیعت را تقریب می کند. اما به عنوان تلاشی برای یک تقریب نزدیک‌تر، من و دانش‌آموزانم یک نظریه کاملاً سازگار ساختیم که در آن سیستم‌های کوانتومی و فضا-زمان کلاسیک با هم تعامل دارند. ما فقط باید نظریه کوانتومی را کمی اصلاح می‌کردیم و کمی نسبیت عام کلاسیک را اصلاح می‌کردیم تا بتوانیم امکان پیش‌بینی‌پذیری مورد نیاز را فراهم کنیم.

چرا کار روی این تئوری های ترکیبی را شروع کردید؟

انگیزه من پارادوکس اطلاعات سیاهچاله بود. وقتی یک ذره کوانتومی را به داخل سیاهچاله پرتاب می کنید و سپس اجازه می دهید آن سیاهچاله تبخیر شود، اگر معتقد باشید سیاهچاله ها اطلاعات را حفظ می کنند، با یک پارادوکس مواجه می شوید. تئوری کوانتومی استاندارد ایجاب می کند که هر جسمی را که به درون سیاهچاله پرتاب می کنید به روشی درهم اما قابل تشخیص به بیرون پرتاب شود. اما این نسبیت عام را نقض می‌کند، که به ما می‌گوید شما هرگز نمی‌توانید در مورد اجسامی که از افق رویداد سیاه‌چاله عبور می‌کنند، بدانید.

اما اگر فرآیند تبخیر سیاهچاله غیر قطعی باشد، هیچ تناقضی وجود ندارد. ما هرگز یاد نمی گیریم که چه چیزی در سیاهچاله پرتاب شده است زیرا پیش بینی پذیری از بین می رود. نسبیت عام امن است.

بنابراین پر سر و صدا بودن در این تئوری های ترکیبی کوانتومی-کلاسیک اجازه می دهد تا اطلاعات از بین برود؟

دقیقا. 

اما حفظ اطلاعات یک اصل کلیدی در مکانیک کوانتومی است. از دست دادن این امر نمی تواند به راحتی با بسیاری از نظریه پردازان سازگار باشد.

درست است. در دهه های اخیر بحث های زیادی در مورد این موضوع وجود داشت و تقریباً همه به این باور رسیدند که تبخیر سیاهچاله قطعی است. من همیشه از این گیج هستم.

آیا آزمایش‌ها هرگز حل می‌کنند که گرانش کوانتیزه شود یا نه؟

از برخی نقطه نظرات. ما هنوز تقریباً هیچ چیز در مورد گرانش در کوچکترین مقیاس نمی دانیم. حتی در مقیاس میلیمتری آزمایش نشده است، چه رسد به مقیاس یک پروتون. اما آزمایش‌های هیجان‌انگیزی وجود دارد که به صورت آنلاین انجام می‌شوند.

یکی است یک نسخه مدرن از "آزمایش کاوندیش"، که قدرت جاذبه گرانشی بین دو کره سربی را محاسبه می کند. اگر در میدان گرانشی تصادفی وجود داشته باشد، مانند این هیبریدهای کوانتومی-کلاسیک، آنگاه وقتی تلاش می کنیم و قدرت آن را اندازه گیری می کنیم، همیشه پاسخ یکسانی را دریافت نمی کنیم. میدان گرانشی به اطراف تکان خواهد خورد. هر نظریه ای که در آن گرانش اساساً کلاسیک باشد، سطح خاصی از نویز گرانشی دارد.

چگونه می دانید که این تصادفی بودن ذاتی میدان گرانشی است و صدایی از محیط نیست؟

شما این کار را نمی کنید. گرانش چنان نیروی ضعیفی است که حتی بهترین آزمایش‌ها هم از قبل دارای تکان‌های زیادی هستند. بنابراین باید تمام این منابع دیگر نویز را تا حد امکان حذف کنید. جالب اینجاست که من و دانش آموزانم نشان دادیم که اگر این تئوری های ترکیبی درست باشد، باید مقداری حداقل نویز گرانشی وجود داشته باشد. این را می توان با مطالعه اتم های طلا در یک آزمایش دو شکاف اندازه گیری کرد. این آزمایش‌ها در حال حاضر محدودیت‌هایی را برای کلاسیک بودن گرانش قائل می‌شوند. ما به تدریج در حال نزدیک شدن به میزان عدم قطعیت مجاز هستیم.

در طرف دیگر شرط، آیا آزمایشی وجود دارد که ثابت کند گرانش کوانتیزه شده است؟

وجود دارد آزمایش های پیشنهادی که به دنبال درهم تنیدگی با واسطه میدان گرانشی هستند. از آنجایی که درهم تنیدگی یک پدیده کوانتومی است، آزمایش مستقیم ماهیت کوانتومی گرانش است. این آزمایش‌ها بسیار هیجان‌انگیز هستند، اما احتمالاً چند دهه دیگر.