Fisikawan yang Bertaruh Bahwa Gravitasi Tidak Dapat Dikuantisasi | Majalah Quanta

Sebagian besar fisikawan berharap bahwa ketika kita memperbesar jalinan realitas, keanehan mekanika kuantum yang tidak intuitif tetap ada hingga skala terkecil. Namun dalam pengaturan tersebut, mekanika kuantum bertabrakan dengan gravitasi klasik dengan cara yang sama sekali tidak sesuai.

Jadi selama hampir seabad, para ahli teori telah mencoba menciptakan teori terpadu dengan mengkuantifikasi gravitasi, atau memahatnya sesuai dengan aturan mekanika kuantum. Mereka masih belum berhasil.

Jonatan Oppenheim, yang menjalankan program mengeksplorasi alternatif pasca-kuantum di University College London, menduga itu karena gravitasi tidak bisa dimasukkan ke dalam kotak kuantum. Mungkin, menurutnya, anggapan kita bahwa itu harus dikuantisasi adalah salah. “Pandangan itu sudah mendarah daging,” katanya. "Tapi tidak ada yang tahu apa yang sebenarnya."

Teori kuantum didasarkan pada probabilitas daripada kepastian. Misalnya, saat Anda mengukur partikel kuantum, Anda tidak dapat memprediksi dengan tepat di mana Anda akan menemukannya, tetapi Anda dapat memprediksi kemungkinan partikel tersebut ditemukan di tempat tertentu. Terlebih lagi, semakin yakin Anda tentang lokasi sebuah partikel, semakin tidak yakin Anda tentang momentumnya. Selama abad ke-20, fisikawan secara bertahap memahami elektromagnetisme dan gaya lain menggunakan kerangka kerja ini. 

Tapi ketika mereka mencoba menghitung gravitasi, mereka menemukan ketakterhinggaan yang tidak wajar yang harus dielakkan dengan trik matematika yang kikuk.

 Masalah muncul karena gravitasi adalah hasil dari ruang-waktu itu sendiri, bukan sesuatu yang bekerja di atasnya. Jadi jika gravitasi terkuantisasi, itu berarti ruang-waktu juga terkuantisasi. Tapi itu tidak berhasil, karena teori kuantum hanya masuk akal dengan latar belakang ruang-waktu klasik — Anda tidak dapat menambahkan dan kemudian mengembangkan keadaan kuantum di atas dasar yang tidak pasti. 

Untuk mengatasi konflik konseptual yang mendalam ini, sebagian besar ahli teori beralih ke teori string, yang membayangkan bahwa materi dan ruang-waktu muncul dari string kecil yang bergetar. Faksi yang lebih kecil melihat ke loop gravitasi kuantum, yang menggantikan ruang-waktu halus relativitas umum Einstein dengan jaringan loop yang saling bertautan. Dalam kedua teori tersebut, dunia klasik kita yang akrab entah bagaimana muncul dari blok bangunan fundamental kuantum ini. 

Oppenheim awalnya adalah ahli teori string, dan ahli teori string percaya pada keunggulan mekanika kuantum. Tapi dia segera menjadi tidak nyaman dengan akrobat matematis rumit yang dilakukan rekan-rekannya untuk mengatasi salah satu masalah paling terkenal dalam fisika modern: paradoks informasi lubang hitam. 

Pada 2017, Oppenheim mulai mencari alternatif yang menghindari paradoks informasi dengan mengambil dunia kuantum dan klasik sebagai landasan. Dia menemukan beberapa yang terlewatkan penelitian pada kuantum-klasik teori hibrid dari tahun 1990-an, yang dia telah memperpanjang dan mengeksplorasi semenjak. Dengan mempelajari bagaimana dunia klasik dan kuantum saling berhubungan, Oppenheim berharap menemukan teori yang lebih dalam yang bukan kuantum atau klasik, tetapi semacam hibrida. “Seringkali kami menaruh semua telur kami di beberapa keranjang, padahal ada banyak kemungkinan,” katanya. 

Untuk menegaskan maksudnya, Oppenheim baru-baru ini membuat taruhan dengan Geoff Penington dan Carlo rovelli — pemimpin di bidang teori string dan gravitasi kuantum loop masing-masing. Peluangnya? 5,000 banding 1. Jika firasat Oppenheim benar dan ruang-waktu tidak terkuantisasi, dia akan memenangkan sekeranjang keripik kentang, plastik berwarna-warni bola bazinga, atau suntikan minyak zaitun, menurut kesukaannya - selama setiap item berharga paling banyak 20 pence (sekitar 25 sen).

Kami bertemu di sebuah kafe di London utara yang dipenuhi dengan buku, di mana dia dengan tenang mengungkap keprihatinannya tentang status quo gravitasi kuantum dan memuji keindahan mengejutkan dari alternatif hibrida ini. “Mereka mengajukan semua jenis pertanyaan yang sangat halus,” katanya. “Saya benar-benar kehilangan akal saat mencoba memahami sistem ini.” Tapi dia bertahan. 

“Saya ingin 5,000 bola bazinga saya.”

Wawancara telah diringkas dan diedit untuk kejelasan.

Mengapa sebagian besar ahli teori begitu yakin bahwa ruang-waktu terkuantisasi?

Itu sudah menjadi dogma. Semua bidang lain di alam terkuantisasi. Ada kesan bahwa tidak ada yang istimewa tentang gravitasi — ini hanya bidang seperti bidang lainnya — dan karena itu kita harus mengkuantifikasinya.

Apakah gravitasi spesial menurut Anda?

Ya. Fisikawan mendefinisikan semua gaya lain dalam kerangka medan yang berevolusi dalam ruang-waktu. Gravitasi sendiri memberi tahu kita tentang geometri dan kelengkungan ruang-waktu itu sendiri. Tak satu pun dari gaya lain yang menggambarkan geometri latar belakang universal tempat kita hidup seperti halnya gravitasi.

Saat ini, teori mekanika kuantum terbaik kami menggunakan struktur latar belakang ruang-waktu ini — yang didefinisikan oleh gravitasi. Dan jika Anda benar-benar percaya bahwa gravitasi terkuantisasi, maka kita kehilangan struktur latar belakang itu.

Masalah apa yang Anda hadapi jika gravitasi klasik dan tidak terkuantisasi?

Untuk waktu yang lama, komunitas percaya bahwa secara logis tidak mungkin gravitasi menjadi klasik karena menggabungkan sistem kuantum dengan sistem klasik akan menyebabkan ketidakkonsistenan. Pada tahun 1950-an, Richard Feynman membayangkan sebuah situasi yang menjelaskan masalah tersebut: Dia mulai dengan sebuah partikel masif yang berada dalam superposisi dari dua lokasi berbeda. Lokasi ini bisa berupa dua lubang dalam lembaran logam, seperti dalam percobaan celah ganda yang terkenal. Di sini, partikel juga berperilaku seperti gelombang. Ini menciptakan pola interferensi garis-garis terang dan gelap di sisi lain celah, yang membuatnya tidak mungkin untuk mengetahui celah mana yang dilaluinya. Dalam catatan populer, partikel kadang-kadang digambarkan melalui kedua celah sekaligus.

Tapi karena partikel memiliki massa, ia menciptakan medan gravitasi yang bisa kita ukur. Dan medan gravitasi itu memberi tahu kita lokasinya. Jika medan gravitasi klasik, kita dapat mengukurnya dengan presisi tak terbatas, menyimpulkan lokasi partikel, dan menentukan celah mana yang dilaluinya. Jadi kami kemudian memiliki situasi paradoks — pola interferensi memberi tahu kami bahwa kami tidak dapat menentukan celah mana yang dilalui partikel, tetapi medan gravitasi klasik memungkinkan kami melakukan hal itu.

Tetapi jika medan gravitasi adalah kuantum, tidak ada paradoks - ketidakpastian merayap masuk saat mengukur medan gravitasi, sehingga kita masih memiliki ketidakpastian dalam menentukan lokasi partikel.

Jadi jika gravitasi berperilaku klasik, Anda akhirnya mengetahui terlalu banyak. Dan itu berarti ide-ide berharga dari mekanika kuantum, seperti superposisi, rusak?

Ya, medan gravitasi tahu terlalu banyak. Tapi ada celah dalam argumen Feynman yang memungkinkan gravitasi klasik bekerja.

Apa celah itu?

Seperti berdiri, kita hanya tahu jalur mana yang diambil partikel karena menghasilkan medan gravitasi tertentu yang membelokkan ruang-waktu dan memungkinkan kita menentukan lokasi partikel. 

Tetapi jika interaksi antara partikel dan ruang-waktu itu acak — atau tidak dapat diprediksi — maka partikel itu sendiri tidak sepenuhnya menentukan medan gravitasi. Artinya, mengukur medan gravitasi tidak selalu menentukan celah mana yang dilalui partikel karena medan gravitasi bisa berada di salah satu dari banyak keadaan. Keacakan merayap masuk, dan Anda tidak lagi memiliki paradoks.

Jadi mengapa tidak lebih banyak fisikawan yang menganggap gravitasi itu klasik?

Yah, secara logis mungkin untuk memiliki teori di mana kita tidak mengkuantifikasi semua bidang. Tetapi agar teori gravitasi klasik konsisten dengan semua hal lain yang terkuantisasi, maka gravitasi pada dasarnya harus acak. Bagi banyak fisikawan hal itu tidak dapat diterima.

Mengapa?

Fisikawan menghabiskan banyak waktu mencoba mencari tahu bagaimana alam bekerja. Jadi gagasan bahwa ada, pada tingkat yang sangat dalam, sesuatu yang secara inheren tidak dapat diprediksi mengganggu banyak orang.

Hasil pengukuran dalam teori kuantum tampaknya bersifat probabilistik. Tetapi banyak fisikawan lebih suka berpikir bahwa apa yang tampak sebagai keacakan hanyalah sistem kuantum dan alat pengukur yang berinteraksi dengan lingkungan. Mereka tidak melihatnya sebagai ciri mendasar dari realitas.

Apa yang Anda usulkan sebagai gantinya?

Tebakan terbaik saya adalah bahwa teori gravitasi berikutnya akan menjadi sesuatu yang tidak sepenuhnya klasik atau sepenuhnya kuantum, tetapi sesuatu yang sepenuhnya berbeda.

Fisikawan hanya pernah datang dengan model yang mendekati alam. Tetapi sebagai upaya untuk perkiraan yang lebih dekat, siswa saya dan saya membangun teori yang sepenuhnya konsisten di mana sistem kuantum dan ruang-waktu klasik berinteraksi. Kami hanya perlu sedikit memodifikasi teori kuantum dan sedikit memodifikasi relativitas umum klasik untuk memungkinkan perincian prediktabilitas yang diperlukan.

Mengapa Anda mulai mengerjakan teori hibrida ini?

Saya termotivasi oleh paradoks informasi lubang hitam. Saat Anda melemparkan partikel kuantum ke dalam lubang hitam dan kemudian membiarkan lubang hitam itu menguap, Anda menghadapi paradoks jika Anda percaya bahwa lubang hitam menyimpan informasi. Teori kuantum standar menuntut bahwa objek apa pun yang Anda lemparkan ke dalam lubang hitam dipancarkan kembali dengan cara acak namun dapat dikenali. Tapi itu melanggar relativitas umum, yang memberi tahu kita bahwa Anda tidak akan pernah tahu tentang objek yang melintasi cakrawala peristiwa lubang hitam.

Tetapi jika proses penguapan lubang hitam tidak dapat ditentukan maka tidak ada paradoks. Kita tidak pernah mengetahui apa yang terlempar ke dalam lubang hitam karena prediktabilitas rusak. Relativitas umum aman.

Jadi kegaduhan dalam teori hibrid klasik-kuantum ini memungkinkan hilangnya informasi?

Tepat. 

Tetapi konservasi informasi adalah prinsip kunci dalam mekanika kuantum. Kehilangan ini tidak bisa duduk dengan mudah dengan banyak ahli teori.

Itu benar. Ada perdebatan besar tentang ini dalam beberapa dekade terakhir, dan hampir semua orang percaya bahwa penguapan lubang hitam bersifat deterministik. Saya selalu bingung dengan itu.

Akankah eksperimen diselesaikan jika gravitasi terkuantisasi atau tidak?

Dalam beberapa kasus. Kami hampir tidak tahu apa-apa tentang gravitasi pada skala terkecil. Bahkan belum diuji sampai skala milimeter, apalagi sampai skala proton. Tetapi ada beberapa eksperimen menarik yang datang online yang akan melakukannya.

Satu adalah versi zaman modern dari "eksperimen Cavendish," yang menghitung kekuatan tarikan gravitasi antara dua bola utama. Jika ada keacakan dalam medan gravitasi, seperti dalam hibrida kuantum-klasik ini, maka ketika kita mencoba mengukur kekuatannya, kita tidak akan selalu mendapatkan jawaban yang sama. Medan gravitasi akan bergoyang-goyang. Setiap teori di mana gravitasi pada dasarnya klasik memiliki tingkat kebisingan gravitasi tertentu.

Bagaimana Anda tahu keacakan ini intrinsik pada medan gravitasi dan bukan gangguan dari lingkungan?

Anda tidak. Gravitasi adalah gaya yang sangat lemah sehingga eksperimen terbaik pun sudah memiliki banyak goncangan di dalamnya. Jadi, Anda harus menghilangkan semua sumber kebisingan ini sebanyak mungkin. Yang menarik adalah saya dan murid-murid saya menunjukkan bahwa jika teori hibrida ini benar, pasti ada gangguan gravitasi dalam jumlah minimal. Ini dapat diukur dengan mempelajari atom emas dalam percobaan celah ganda. Eksperimen ini telah membatasi apakah gravitasi pada dasarnya klasik. Kami secara bertahap mendekati jumlah ketidakpastian yang diizinkan.

Di sisi lain dari taruhan, apakah ada percobaan yang akan membuktikan bahwa gravitasi terkuantisasi?

Ada percobaan yang diusulkan yang mencari keterikatan yang dimediasi oleh medan gravitasi. Karena keterikatan adalah fenomena kuantum, itu akan menjadi ujian langsung dari sifat gravitasi kuantum. Eksperimen ini sangat menarik, tetapi mungkin beberapa dekade lagi.