A fizikus, aki arra fogad, hogy a gravitációt nem lehet kvantifikálni | Quanta Magazin

A legtöbb fizikus arra számít, hogy amikor ráközelítünk a valóság szövetére, a kvantummechanika intuitív furcsaságai a legkisebb léptékig megmaradnak. De ilyen körülmények között a kvantummechanika határozottan összeegyeztethetetlen módon ütközik a klasszikus gravitációval.

Tehát az elméletalkotók közel egy évszázada próbáltak egységes elméletet alkotni a gravitáció kvantálásával, vagy a kvantummechanika szabályai szerint kialakítva. Még mindig nem sikerült nekik.

Jonathan Oppenheim, aki a londoni University College-ban a kvantum utáni alternatívákat feltáró programot vezet, azt gyanítja, hogy ennek az az oka, hogy a gravitációt egyszerűen nem lehet kvantumdobozba szorítani. Talán – érvel – téves az a feltételezésünk, hogy kvantifikálni kell. „Ez a nézet rögzült” – mondta. – De senki sem tudja, mi az igazság.

A kvantumelméletek inkább valószínűségeken, mint bizonyosságokon alapulnak. Például, amikor megmérünk egy kvantumrészecskét, nem tudjuk megjósolni, hogy pontosan hol találjuk meg, de megjósolhatjuk, hogy egy adott helyen mekkora a valószínűsége annak, hogy megtalálják. Sőt, minél biztosabb egy részecske elhelyezkedését illetően, annál kevésbé vagy biztos a lendületében. A 20. század során a fizikusok fokozatosan megértették az elektromágnesességet és más erőket ennek a keretnek a segítségével. 

Ám amikor megpróbálták kvantifikálni a gravitációt, természetellenes végtelenbe ütköztek, amit ügyetlen matematikai trükkökkel kellett megkerülni.

 A problémák azért merülnek fel, mert a gravitáció magának a téridőnek az eredménye, nem pedig valami, ami rá hat. Tehát ha a gravitációt kvantáljuk, az azt jelenti, hogy a téridőt is kvantáljuk. De ez nem működik, mert a kvantumelméletnek csak klasszikus tér-idő háttérben van értelme – nem lehet kvantumállapotokat hozzáadni, majd fejleszteni egy bizonytalan alapon. 

Ennek a mély fogalmi konfliktusnak a kezelésére a legtöbb teoretikus a húrelmélethez fordult, amely azt képzeli, hogy az anyag és a téridő apró, vibráló húrokból jön létre. Egy kisebb frakció a kvantumgravitáció hurkosítására törekedett, amely Einstein általános relativitáselméletének sima téridejét váltja fel egymásba kapcsolódó hurkok hálózatával. Mindkét elméletben a megszokott, klasszikus világunk valahogy ezekből az alapvetően kvantum építőkövekből emelkedik ki. 

Oppenheim eredetileg húrteoretikus volt, a húrelméletek pedig a kvantummechanika elsőbbségében hisznek. De hamarosan kényelmetlenül érezte magát a bonyolult matematikai akrobatika miatt, amelyet társai végeztek a modern fizika egyik leghírhedtebb problémájának megoldására: fekete lyuk információs paradoxon. 

2017-ben Oppenheim olyan alternatívákat kezdett kutatni, amelyek elkerülték az információs paradoxont ​​azáltal, hogy mind a kvantum, mind a klasszikus világot alapkőzetnek tekintették. Belebotlott néhány figyelmen kívül hagyottba kutatás a kvantum-klasszikuson hibrid elméletek az 1990-es évektől, ami ő volt kiterjedő és a feltárása amióta. A klasszikus és a kvantumvilág egymáshoz való viszonyának tanulmányozásával Oppenheim egy mélyebb elméletet remél találni, amely sem nem kvantum, sem nem klasszikus, hanem valamiféle hibrid. „Gyakran az összes tojásunkat néhány kosárba rakjuk, amikor sok lehetőség van” – mondta. 

Hogy kifejtse álláspontját, Oppenheim nemrég fogadást kötött val vel Geoff Penington és a Carlo rovelli – vezetők a húrelmélet és a hurokkvantumgravitáció saját területén. Az esélyek? 5,000-től 1-ig. Ha Oppenheim sejtése helyes, és a téridő nincs kvantifikálva, akkor vödörnyi burgonya chipset, színes műanyagot nyerhet. bazinga labdák, vagy olívaolajos lövések, ízlése szerint – mindaddig, amíg minden cikk legfeljebb 20 pennybe (kb. 25 cent) kerül.

Egy könyvekkel szegélyezett észak-londoni kávézóban találkoztunk, ahol nyugodtan kibontotta a kvantumgravitációs status quo-val kapcsolatos aggodalmait, és magasztalta e hibrid alternatívák meglepő szépségét. „Mindenféle rendkívül finom kérdést vetnek fel” – mondta. "Tényleg elvesztettem a lábam, amikor megpróbáltam megérteni ezeket a rendszereket." De kitart. 

– Akarom az 5,000 bazinga golyómat.

Az interjút az áttekinthetőség érdekében tömörítették és szerkesztették.

Miért van a legtöbb teoretikus olyan biztos abban, hogy a téridő kvantált?

Dogmává vált. A természet összes többi mezője kvantált. Érezhető, hogy a gravitációban nincs semmi különös – ez csak egy mező, mint bármely más –, ezért kvantifikálnunk kell.

Ön szerint különleges a gravitáció?

Igen. A fizikusok az összes többi erőt a téridőben fejlődő mezők alapján határozzák meg. A gravitáció önmagában árul el nekünk magának a téridőnek a geometriáját és görbületét. A többi erő egyike sem írja le az egyetemes háttérgeometriát, amelyben élünk, mint a gravitáció.

Jelenleg a legjobb kvantummechanikai elméletünk a téridő háttérstruktúráját használja – amelyet a gravitáció határoz meg. És ha valóban azt hiszik, hogy a gravitáció kvantált, akkor elveszítjük ezt a háttérstruktúrát.

Milyen problémákba ütközik, ha a gravitáció klasszikus és nem kvantált?

A közösség hosszú ideig úgy gondolta, hogy logikailag lehetetlen, hogy a gravitáció klasszikus legyen, mert egy kvantumrendszer és egy klasszikus rendszer összekapcsolása következetlenségekhez vezetne. Az 1950-es években Richard Feynman elképzelt egy olyan helyzetet, amely megvilágította a problémát: egy hatalmas részecskével kezdte, amely két különböző hely szuperpozíciójában található. Ezek a helyek lehet két lyuk egy fémlemezen, mint a híres kettős hasítékos kísérletben. Itt a részecske is hullámként viselkedik. Világos és sötét csíkokból álló interferenciamintát hoz létre a rések másik oldalán, ami miatt nem lehet tudni, melyik résen ment át. A népszerű beszámolókban a részecske olykor úgy írják le, hogy egyszerre megy át mindkét résen.

De mivel a részecske tömeggel rendelkezik, gravitációs teret hoz létre, amelyet meg tudunk mérni. És ez a gravitációs mező megmondja a helyét. Ha a gravitációs tér klasszikus, akkor végtelen pontossággal mérhetjük, következtethetünk a részecske helyzetére, és meghatározhatjuk, melyik résen ment át. Tehát paradox helyzetünk van – az interferenciamintázat azt mondja nekünk, hogy nem tudjuk meghatározni, melyik résen ment át a részecske, de a klasszikus gravitációs tér ezt lehetővé teszi.

De ha a gravitációs tér kvantum, akkor nincs paradoxon – a bizonytalanság bekúszik a gravitációs tér mérése során, és így továbbra is bizonytalanok vagyunk a részecske helyzetének meghatározásában.

Tehát ha a gravitáció klasszikusan viselkedik, akkor túl sokat tudsz. És ez azt jelenti, hogy a kvantummechanikából származó olyan dédelgetett ötletek, mint a szuperpozíció, összeomlanak?

Igen, a gravitációs tér túl sokat tud. De van egy kiskaput Feynman érvelésében, amely lehetővé teheti a klasszikus gravitáció működését.

Mi ez a kiskapu?

Jelenleg csak azt tudjuk, hogy a részecske melyik utat járta be, mert határozott gravitációs teret hoz létre, amely meghajlítja a téridőt, és lehetővé teszi a részecske helyzetének meghatározását. 

De ha ez a kölcsönhatás a részecske és a téridő között véletlenszerű – vagy megjósolhatatlan –, akkor maga a részecske nem diktálja teljesen a gravitációs teret. Ami azt jelenti, hogy a gravitációs tér mérése nem mindig határozza meg, hogy a részecske melyik résen ment keresztül, mert a gravitációs tér a sok állapot egyikében lehet. A véletlenszerűség bekúszik, és már nincs paradoxon.

Akkor miért nem gondolja több fizikus a gravitációt klasszikusnak?

Nos, logikusan lehetséges egy olyan elmélet, amelyben nem kvantifikálunk minden mezőt. De ahhoz, hogy a gravitáció klasszikus elmélete konzisztens legyen minden más kvantálással, a gravitációnak alapvetően véletlenszerűnek kell lennie. Sok fizikus számára ez elfogadhatatlan.

Miért?

A fizikusok sok időt töltenek azzal, hogy kitalálják, hogyan működik a természet. Tehát sokakat aggaszt az a gondolat, hogy nagyon mélyen van valami eredendően kiszámíthatatlan.

A kvantumelméletben végzett mérések eredménye valószínűséginek tűnik. Sok fizikus azonban inkább azt gondolja, hogy ami véletlenszerűségnek tűnik, az csak a kvantumrendszer és a környezettel kölcsönhatásban lévő mérőberendezés. Nem tekintik a valóság alapvető jellemzőjének.

Mit ajánlasz helyette?

A legjobb tippem az, hogy a következő gravitációs elmélet valami olyan lesz, ami nem teljesen klasszikus és nem is teljesen kvantum, hanem valami egészen más.

A fizikusok mindig csak a természethez közelítő modellekkel állnak elő. De a közelebbi közelítés kísérleteként tanítványaimmal egy teljesen konzisztens elméletet állítottunk fel, amelyben a kvantumrendszerek és a klasszikus tér-idő kölcsönhatásba lépnek. Csak kicsit módosítanunk kellett a kvantumelméletet, és kissé módosítanunk kellett a klasszikus általános relativitáselméletet, hogy lehetővé tegyük a megjósolhatóság szükséges lebontását.

Miért kezdett el ezeken a hibrid elméleteken dolgozni?

Engem a fekete lyuk információs paradoxon motivált. Amikor egy kvantumrészecskét dobunk egy fekete lyukba, majd hagyjuk, hogy a fekete lyuk elpárologjon, paradoxonba ütközünk, ha azt hiszik, hogy a fekete lyukak megőrzik az információkat. A szabványos kvantumelmélet megköveteli, hogy bármilyen tárgyat dobunk a fekete lyukba, az valamilyen kódolt, de felismerhető módon visszasugározzon. Ez azonban sérti az általános relativitáselméletet, ami azt mondja nekünk, hogy soha nem lehet tudni azokról a tárgyakról, amelyek átlépik a fekete lyuk eseményhorizontját.

De ha a fekete lyuk párolgási folyamata indeterminisztikus, akkor nincs paradoxon. Soha nem tanuljuk meg, hogy mit dobtak a fekete lyukba, mert a kiszámíthatóság megromlik. Az általános relativitáselmélet biztonságos.

Tehát ezeknek a kvantum-klasszikus hibrid elméleteknek a zajossága lehetővé teszi az információ elvesztését?

Pontosan. 

De az információ megőrzése a kvantummechanika kulcsfontosságú elve. Ennek elvesztése sok teoretikus számára nem könnyű feladat.

Ez igaz. Erről hatalmas viták folytak az elmúlt évtizedekben, és szinte mindenki azt hitte, hogy a fekete lyukak párolgása determinisztikus. Mindig értetlenül állok ezen.

Megoldódnak-e valaha a kísérletek, ha a gravitációt kvantáljuk vagy sem?

Egy bizonyos ponton. Még mindig szinte semmit sem tudunk a gravitációról a legkisebb skálán. Még csak nem is tesztelték milliméteres léptékig, nemhogy proton léptékig. De néhány izgalmas kísérlet érkezik az internetre, amelyek ezt megteszik.

Az egyik mai változata a „Cavendish-kísérlet”, amely két ólomgömb közötti gravitációs vonzás erősségét számítja ki. Ha a gravitációs térben véletlenszerűség van, mint ezekben a kvantum-klasszikus hibridekben, akkor amikor megpróbáljuk mérni az erősségét, nem mindig ugyanazt a választ kapjuk. A gravitációs mező ingadozni fog. Minden olyan elmélet, amelyben a gravitáció alapvetően klasszikus, rendelkezik bizonyos szintű gravitációs zajjal.

Honnan tudod, hogy ez a véletlenszerűség a gravitációs mezőben rejlik, és nem a környezetből származó zaj?

Te nem. A gravitáció olyan gyenge erő, hogy még a legjobb kísérletekben is sok ingatag van már. Tehát a lehető legnagyobb mértékben meg kell szüntetnie az összes többi zajforrást. Az az izgalmas, hogy a diákjaimmal megmutattuk, hogy ha ezek a hibrid elméletek igazak, akkor minimális mennyiségű gravitációs zajnak kell lennie. Ezt az aranyatomok kettős réses kísérletben történő tanulmányozásával mérhetjük. Ezek a kísérletek már határt szabnak annak, hogy a gravitáció alapvetően klasszikus-e. Fokozatosan közelítjük a határozatlanság megengedett mértékét.

A fogadás másik oldalán vannak olyan kísérletek, amelyek bebizonyítanák, hogy a gravitáció kvantált?

Vannak javasolt kísérletek amelyek a gravitációs mező által közvetített összefonódást keresik. Mivel az összefonódás kvantumjelenség, ez a gravitáció kvantumtermészetének közvetlen próbája lenne. Ezek a kísérletek nagyon izgalmasak, de valószínűleg évtizedek múlva.