Fyysikko, joka vetoaa siihen, että painovoimaa ei voida kvantisoida | Quanta-lehti

Useimmat fyysikot odottavat, että kun zoomaamme lähemmäksi todellisuuden kudosta, kvanttimekaniikan epäintuitiiviset omituisuudet säilyvät pienimmässä mittakaavassa. Mutta näissä olosuhteissa kvanttimekaniikka törmää klassiseen painovoimaan päättäväisesti yhteensopimattomalla tavalla.

Joten lähes vuosisadan teoreetikot ovat yrittäneet luoda yhtenäistä teoriaa kvantisoimalla painovoimaa tai muotoilemalla sitä kvanttimekaniikan sääntöjen mukaisesti. Eivät ole vieläkään onnistuneet.

Jonathan Oppenheim, joka ajaa ohjelmaa, jossa tutkitaan post-kvanttivaihtoehtoja University College Londonissa, epäilee, että tämä johtuu siitä, että painovoimaa ei yksinkertaisesti voida puristaa kvanttilaatikkoon. Ehkä, hän väittää, olettamuksemme, että se on kvantisoitava, on väärä. "Se näkemys on juurtunut", hän sanoi. "Mutta kukaan ei tiedä, mikä totuus on."

Kvanttiteoriat perustuvat enemmän todennäköisyyksiin kuin varmuuteen. Esimerkiksi kun mittaat kvanttihiukkasta, et voi ennustaa tarkalleen, mistä löydät sen, mutta voit ennustaa todennäköisyyden, että se löytyy tietystä paikasta. Lisäksi mitä varmempi olet hiukkasen sijainnista, sitä vähemmän varma olet sen vauhdista. 20-luvun aikana fyysikot ymmärsivät vähitellen sähkömagnetismin ja muut voimat käyttämällä tätä kehystä. 

Mutta kun he yrittivät kvantisoida painovoimaa, he törmäsivät luonnottomiin äärettömyyksiin, jotka piti kiertää kömpelöillä matemaattisilla temppuilla.

 Ongelmat syntyvät, koska painovoima on seurausta aika-avaruudesta itsestään, eikä jostain, joka toimii sen päällä. Joten jos painovoima kvantisoidaan, se tarkoittaa, että myös aika-avaruus kvantisoidaan. Mutta se ei toimi, koska kvanttiteorialla on järkeä vain klassista aika-avaruustaustaa vasten – et voi lisätä ja sitten kehittää kvanttitiloja epävarman perustan päälle. 

Käsitelläkseen tätä syvää käsitteellistä ristiriitaa useimmat teoreetikot kääntyivät merkkijonoteoriaan, joka kuvittelee, että aine ja aika-avaruus syntyvät pienistä, värähtelevistä kielistä. Pienempi ryhmä halusi kiertää kvanttigravitaatiota, joka korvaa Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian tasaisen aika-avaruuden toisiinsa lukittujen silmukoiden verkostolla. Molemmissa teorioissa tuttu, klassinen maailmamme tulee jotenkin esiin näistä pohjimmiltaan kvanttirakenteisista rakennuspalikoista. 

Oppenheim oli alun perin jousiteoreetikko, ja jousiteoreetikot uskovat kvanttimekaniikan ensisijaisuuteen. Mutta pian hän tunsi olonsa epämukavaksi monimutkaisessa matemaattisessa akrobatiassa, jota hänen ikätoverinsa suorittivat ratkaistakseen yhden modernin fysiikan tunnetuimmista ongelmista: mustan reiän tietoparamoksi. 

Vuonna 2017 Oppenheim alkoi etsiä vaihtoehtoja, jotka välttyivät informaatioparadoksilta ottamalla sekä kvanttimaailman että klassisen maailman kallioperään. Hän törmäsi joihinkin huomiotta jääneisiin tutkimus kvanttiklassisessa hybridi teorioita 1990-luvulta, jota hän on ollut ulottuu ja tutkimalla siitä lähtien. Oppenheim toivoo löytävänsä syvemmän teorian, joka ei ole kvantti eikä klassinen, vaan jonkinlainen hybridi, tutkimalla klassisen ja kvanttimaailman keskinäistä yhteyttä. "Usein laitamme kaikki munamme muutamaan koriin, kun mahdollisuuksia on paljon", hän sanoi. 

Oppenheim äskettäin teki vedon with Geoff Penington ja Carlo rovelli — johtajia kieleteorian ja silmukkakvanttigravitaation aloillaan. Mahdollisuudet? 5,000-1. Jos Oppenheimin aavistus pitää paikkansa ja aika-avaruutta ei kvantisoida, hän voi voittaa ämpärillisen perunalastuja, värikästä muovia bazinga pallottai oliiviöljyä hänen mielikuvituksensa mukaan - kunhan jokainen tuote maksaa enintään 20 penniä (noin 25 senttiä).

Tapasimme pohjois-Lontoossa kirjojen reunustamassa kahvilassa, jossa hän rauhallisesti purki huolensa kvanttigravitaation status quosta ja ylisti näiden hybridivaihtoehtojen yllättävää kauneutta. "Ne herättävät kaikenlaisia ​​huomattavan hienovaraisia ​​kysymyksiä", hän sanoi. "Olen todella menettänyt jalkani yrittäessäni ymmärtää näitä järjestelmiä." Mutta hän kestää. 

"Haluan 5,000 bazingapalloni."

Haastattelu on tiivistetty ja sitä on muokattu selkeyden vuoksi.

Miksi useimmat teoreetikot ovat niin varmoja siitä, että aika-avaruus on kvantisoitu?

Siitä on tullut dogma. Kaikki muut luonnon kentät kvantisoidaan. On tunne, että painovoimassa ei ole mitään erityistä - se on vain kenttä kuin mikä tahansa muu - ja siksi meidän pitäisi kvantisoida se.

Onko painovoima mielestäsi erityinen?

Joo. Fyysikot määrittelevät kaikki muut voimat avaruus-ajassa kehittyvien kenttien perusteella. Painovoima yksin kertoo meille itse aika-avaruuden geometriasta ja kaarevuudesta. Mikään muista voimista ei kuvaa universaalia taustageometriaa, jossa elämme, kuten painovoima.

Tällä hetkellä paras kvanttimekaniikan teoriamme käyttää tätä aika-avaruuden taustarakennetta - jonka painovoima määrittelee. Ja jos todella uskot, että painovoima on kvantisoitu, menetämme tuon taustarakenteen.

Millaisiin ongelmiin törmäät, jos painovoima on klassinen eikä kvantisoitu?

Yhteisö uskoi pitkään, että painovoiman oli loogisesti mahdotonta olla klassinen, koska kvanttijärjestelmän yhdistäminen klassiseen järjestelmään johtaisi epäjohdonmukaisuuksiin. 1950-luvulla Richard Feynman kuvitteli tilanteen, joka valaisi ongelman: Hän aloitti massiivisesta hiukkasesta, joka on kahden eri paikan päällekkäisyydessä. Nämä paikat voivat olla kaksi reikää metallilevyssä, kuten kuuluisassa kaksoisrako-kokeessa. Tässä hiukkanen käyttäytyy myös aallon tavoin. Se luo häiriökuvion vaaleista ja tummista raidoista halkojen toiselle puolelle, mikä tekee mahdottomaksi tietää, minkä raon läpi se meni. Suosituissa tileissä hiukkasen kuvataan joskus menevän molempien rakojen läpi kerralla.

Mutta koska hiukkasella on massa, se luo gravitaatiokentän, jonka voimme mitata. Ja tuo gravitaatiokenttä kertoo meille sen sijainnin. Jos gravitaatiokenttä on klassinen, voimme mitata sen äärettömällä tarkkuudella, päätellä hiukkasen sijainnin ja määrittää, minkä raon läpi se meni. Joten meillä on sitten paradoksaalinen tilanne - interferenssikuvio kertoo meille, että emme voi määrittää, minkä raon läpi hiukkanen meni, mutta klassinen gravitaatiokenttä antaa meille mahdollisuuden tehdä juuri niin.

Mutta jos gravitaatiokenttä on kvantti, paradoksia ei ole – epävarmuus hiipii sisään gravitaatiokenttää mitattaessa, ja siksi meillä on edelleen epävarmuutta hiukkasen sijainnin määrittämisessä.

Joten jos painovoima käyttäytyy klassisesti, tiedät lopulta liikaa. Ja tämä tarkoittaa, että kvanttimekaniikan vaalitut ideat, kuten superpositio, hajoavat?

Kyllä, gravitaatiokenttä tietää liikaa. Mutta Feynmanin argumentissa on porsaanreikä, joka voisi sallia klassisen painovoiman toimia.

Mikä tuo porsaanreikä on?

Nykyisessä muodossaan tiedämme vain, minkä polun hiukkanen kulki, koska se tuottaa määrätyn gravitaatiokentän, joka taivuttaa aika-avaruutta ja antaa meille mahdollisuuden määrittää hiukkasen sijainnin. 

Mutta jos tämä hiukkasen ja aika-avaruuden välinen vuorovaikutus on satunnaista - tai arvaamatonta -, hiukkanen itse ei täysin sanele gravitaatiokenttää. Mikä tarkoittaa, että gravitaatiokentän mittaaminen ei aina määritä, minkä raon läpi hiukkanen meni, koska gravitaatiokenttä voi olla jossakin monista tiloista. Satunnaisuus hiipii sisään, eikä sinulla ole enää paradoksia.

Joten miksi useat fyysikot eivät ajattele painovoimaa klassisena?

No, on loogisesti mahdollista saada teoria, jossa emme kvantisoi kaikkia kenttiä. Mutta jotta klassinen painovoimateoria olisi yhdenmukainen kaiken muun kvantisoitavan kanssa, painovoiman on oltava pohjimmiltaan satunnaista. Monille fyysikoille se on mahdotonta hyväksyä.

Miksi?

Fyysikot viettävät paljon aikaa selvittääkseen, miten luonto toimii. Joten ajatus siitä, että on olemassa hyvin syvällä tasolla jotain luonnostaan ​​arvaamatonta, on huolestuttava monille.

Kvanttiteorian mittausten tulos näyttää olevan todennäköisyys. Mutta monet fyysikot ajattelevat mieluummin, että se, mikä näyttää sattumanvaraiselta, on vain kvanttijärjestelmä ja mittauslaitteisto, jotka ovat vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. He eivät näe sitä todellisuuden peruspiirteenä.

Mitä ehdotat tilalle?

Paras veikkaukseni on, että seuraava painovoimateoria on jotain, mikä ei ole täysin klassista eikä täysin kvanttia, vaan jotain aivan muuta.

Fyysikot keksivät aina vain malleja, jotka lähestyvät luontoa. Mutta yrityksenä lähempään lähentämiseen rakensimme opiskelijani kanssa täysin johdonmukaisen teorian, jossa kvanttijärjestelmät ja klassinen aika-avaruus ovat vuorovaikutuksessa. Meidän täytyi vain muokata kvanttiteoriaa hieman ja modifioida hieman klassista yleistä suhteellisuusteoriaa, jotta ennustettavuus voidaan rikkoa.

Miksi aloit työskennellä näiden hybriditeorioiden parissa?

Minua motivoi mustan aukon tiedon paradoksi. Kun heität kvanttihiukkasen mustaan ​​aukkoon ja annat sitten mustan aukon haihtua, kohtaat paradoksin, jos uskot, että mustat aukot säilyttävät tietoa. Tavallinen kvanttiteoria vaatii, että mikä tahansa esine, jonka heität mustaan ​​aukkoon, säteilee takaisin jollain sekoitettulla mutta tunnistettavalla tavalla. Mutta se rikkoo yleistä suhteellisuusteoriaa, joka kertoo meille, että et voi koskaan tietää esineistä, jotka ylittävät mustan aukon tapahtumahorisontin.

Mutta jos mustan aukon haihtumisprosessi on epädeterministinen, paradoksia ei ole. Emme koskaan opi, mitä mustaan ​​aukkoon heitettiin, koska ennustettavuus hajoaa. Yleinen suhteellisuusteoria on turvallista.

Joten näiden kvanttiklassisten hybriditeorioiden melu sallii tiedon katoamisen?

Aivan. 

Mutta tiedon säilyttäminen on kvanttimekaniikan keskeinen periaate. Tämän menettäminen ei voi olla helppoa monien teoreetikkojen kanssa.

Se on totta. Tästä on käyty valtavia keskusteluja viime vuosikymmeninä, ja melkein kaikki uskoivat, että mustien aukkojen haihtuminen on determinististä. Olen aina ihmeissäni siitä.

Ratkaisevatko kokeet koskaan, jos gravitaatio kvantisoidaan vai ei?

Jossain vaiheessa. Emme tiedä vieläkään lähes mitään painovoimasta pienimmässä mittakaavassa. Sitä ei ole edes testattu millimetrin mittakaavassa, saati protonin mittakaavassa. Mutta verkossa on tulossa jännittäviä kokeita, jotka tekevät sen.

Yksi on nykyajan versio "Cavendish-kokeesta", joka laskee kahden lyijypallon välisen vetovoiman voimakkuuden. Jos gravitaatiokentässä on satunnaisuutta, kuten näissä kvanttiklassisissa hybrideissä, niin kun yritämme mitata sen voimakkuutta, emme aina saa samaa vastausta. Gravitaatiokenttä heiluu ympäriinsä. Jokaisella teorialla, jossa gravitaatio on pohjimmiltaan klassinen, on tietty gravitaatiokohina.

Mistä tiedät, että tämä satunnaisuus on ominaista gravitaatiokenttään eikä ympäristön melua?

Et. Painovoima on niin heikko voima, että parhaimmissakin kokeissa on jo paljon heilutusta. Joten sinun on eliminoitava kaikki muut melun lähteet niin paljon kuin mahdollista. Jännittävää on se, että opiskelijoideni ja minä osoitimme, että jos nämä hybriditeoriat pitävät paikkansa, gravitaatiomelua täytyy olla pieni määrä. Tämä voidaan mitata tutkimalla kultaatomeja kaksoisrakoisessa kokeessa. Nämä kokeet asettavat jo rajat sille, onko painovoima pohjimmiltaan klassista. Olemme vähitellen lähellä sallitun määrittämättömyyden määrää.

Vedon kääntöpuolella, onko olemassa kokeita, jotka osoittaisivat, että painovoima on kvantisoitu?

On ehdotetut kokeet jotka etsivät gravitaatiokentän välittämää kietoutumista. Koska takertuminen on kvanttiilmiö, se olisi suora testi painovoiman kvanttiluonteesta. Nämä kokeet ovat erittäin jännittäviä, mutta todennäköisesti vuosikymmenien päässä.