הפיזיקאי שמתערב שאי אפשר לכמת את כוח המשיכה | מגזין קוונטה

רוב הפיזיקאים מצפים שכאשר אנו מתקרבים למרקם המציאות, המוזרות הלא אינטואיטיבית של מכניקת הקוונטים נמשכת עד לסולמות הקטנים ביותר. אבל במסגרות האלה, מכניקת הקוונטים מתנגשת עם כוח הכבידה הקלאסי בצורה בלתי תואמת בהחלט.

אז במשך כמעט מאה שנה, תיאורטיקנים ניסו ליצור תיאוריה מאוחדת על ידי כימות כוח הכבידה, או פיסול שלה לפי כללי מכניקת הקוונטים. הם עדיין לא הצליחו.

ג'ונתן אופנהיים, שמנהל תוכנית לבחינת חלופות פוסט-קוונטיות באוניברסיטת קולג' בלונדון, חושד שזה בגלל שכוח המשיכה פשוט לא יכול להידחק לתוך קופסה קוונטית. אולי, הוא טוען, ההנחה שלנו שצריך לכמת אותה שגויה. "ההשקפה הזו מושרשת", אמר. "אבל אף אחד לא יודע מהי האמת."

תיאוריות קוונטיות מבוססות על הסתברויות ולא על ודאויות. לדוגמה, כאשר אתה מודד חלקיק קוונטי, אתה לא יכול לחזות בדיוק היכן תמצא אותו, אבל אתה יכול לחזות את הסבירות שהוא יימצא במקום מסוים. יתרה מכך, ככל שאתה בטוח יותר לגבי מיקומו של חלקיק, כך אתה פחות בטוח לגבי המומנטום שלו. במהלך המאה ה-20, הפיזיקאים הבינו בהדרגה את האלקטרומגנטיות וכוחות אחרים תוך שימוש במסגרת זו. 

אבל כשניסו לכמת את כוח הכבידה, הם נתקלו באינסוף לא טבעי שהיה צריך לעקוף אותם עם תחבולות מתמטיות מגושמות.

 הבעיות נוצרות מכיוון שכוח המשיכה הוא תוצאה של המרחב-זמן עצמו, ולא משהו שפועל על גביו. אז אם כוח הכבידה מקומת, זה אומר שגם המרחב-זמן מכומד. אבל זה לא עובד, כי תורת הקוונטים הגיונית רק על רקע מרחב-זמן קלאסי - אתה לא יכול להוסיף ואז לפתח מצבים קוונטיים על גבי בסיס לא ודאי. 

כדי להתמודד עם הקונפליקט המושגי העמוק הזה, רוב התיאורטיקנים פנו לתורת המיתרים, המדמיינת שחומר ומרחב-זמן בוקעים מתוך מיתרים זעירים ורוטטים. פלג קטן יותר חיפש את כוח הכבידה הקוונטית בלולאה, המחליף את המרחב-זמן החלק של תורת היחסות הכללית של איינשטיין ברשת של לולאות שלובות. בשתי התיאוריות, העולם הקלאסי המוכר שלנו יוצא איכשהו מתוך אבני הבניין הקוונטיות הללו. 

אופנהיים היה במקור תיאורטיקן מיתרים, ותיאורטיקני מיתרים מאמינים בראשוניות של מכניקת הקוונטים. אבל עד מהרה הוא חש לא בנוח עם האקרובטיקה המתמטית המשוכללת שביצעו חבריו כדי להתמודד עם אחת הבעיות הידועות לשמצה בפיזיקה המודרנית: שחור פרדוקס מידע חור - -. 

בשנת 2017, אופנהיים החלה לחפש חלופות שנמנעו מפרדוקס המידע בכך שלקחה הן את העולמות הקוונטיים והן את העולם הקלאסי כסלע. הוא נתקל בכמה שאליהם התעלמו מחקר על הקוונטים-קלאסי תיאוריות היברידיות משנות ה-1990, שהוא היה מאריך ו לחקור מאז ש. על ידי לימוד האופן שבו העולם הקלאסי והקוונטי קשורים זה בזה, אופנהיים מקווה למצוא תיאוריה עמוקה יותר שאינה קוונטית ולא קלאסית, אלא סוג של כלאיים. "לעתים קרובות אנחנו שמים את כל הביצים שלנו בכמה סלים, כשיש הרבה אפשרויות", אמר. 

כדי להבהיר את דבריו, אופנהיים לאחרונה עשה הימור עם ג'וף פנינגטון ו קרלו רובלי - מנהיגים בתחומי תורת המיתרים והכבידה הקוונטית הלולאית שלהם. הסיכויים? 5,000 ל-1. אם הניחוש של אופנהיים נכון והחלל-זמן אינו מכומת, הוא עומד לזכות בדליים של תפוצ'יפס, פלסטיק צבעוני כדורי bazinga, או זריקות של שמן זית, לפי החשק שלו - כל עוד כל פריט עולה לכל היותר 20 פני (כ-25 סנט).

נפגשנו בבית קפה בצפון לונדון גדוש בספרים, שם פירק בשלווה את דאגותיו לגבי מצב הכבידה הקוונטית והעלה על הדעת את היופי המפתיע של האלטרנטיבות ההיברידיות הללו. "הם מעלים כל מיני שאלות עדינות להפליא", אמר. "ממש איבדתי את רגלי בניסיון להבין את המערכות האלה." אבל הוא מתמיד. 

"אני רוצה את 5,000 כדורי הבאזינגה שלי."

הראיון רוכז ונערך לשם הבהרה.

מדוע רוב התיאורטיקנים כל כך בטוחים שהמרחב-זמן הוא כמותי?

זה הפך לדוגמה. כל שאר התחומים בטבע הם כמותיים. יש תחושה שאין שום דבר מיוחד בכבידה - זה רק שדה כמו כל שדה אחר - ולכן עלינו לכמת אותו.

האם כוח המשיכה מיוחד בעיניך?

כן. פיזיקאים מגדירים את כל שאר הכוחות במונחים של שדות המתפתחים במרחב-זמן. כוח הכבידה לבדו מספר לנו על הגיאומטריה והעקמומיות של המרחב-זמן עצמו. אף אחד מהכוחות האחרים לא מתאר את גיאומטריית הרקע האוניברסלית שבה אנו חיים כמו כוח הכבידה.

כרגע, התיאוריה הטובה ביותר שלנו של מכניקת הקוונטים משתמשת במבנה הרקע הזה של מרחב-זמן - שכוח הכבידה מגדיר. ואם אתה באמת מאמין שכוח המשיכה הוא כמותי, אז אנחנו מאבדים את מבנה הרקע הזה.

לאילו סוגי בעיות אתה נתקל אם כוח הכבידה הוא קלאסי ואינו כמותיות?

במשך זמן רב האמינה הקהילה כי מבחינה לוגית בלתי אפשרי שכוח הכבידה יהיה קלאסי מכיוון שצימוד מערכת קוונטית עם מערכת קלאסית יוביל לחוסר עקביות. בשנות ה-1950, ריצ'רד פיינמן דמיין מצב שהאיר את הבעיה: הוא התחיל עם חלקיק מסיבי שנמצא בסופרפוזיציה של שני מיקומים שונים. מיקומים אלה יכולים להיות שני חורים ביריעת מתכת, כמו בניסוי הכפול המפורסם. כאן, החלקיק מתנהג גם כמו גל. הוא יוצר תבנית הפרעה של פסים בהירים וכהים בצד השני של החרכים, מה שלא מאפשר לדעת באיזה חרך הוא עבר. בדיווחים פופולריים, החלקיק מתואר לפעמים כעובר את שני החריצים בבת אחת.

אבל מכיוון שלחלקיק יש מסה, הוא יוצר שדה כבידה שאנו יכולים למדוד. ושדה הכבידה הזה אומר לנו את מיקומו. אם שדה הכבידה הוא קלאסי, נוכל למדוד אותו בדיוק אינסופי, להסיק את מיקומו של החלקיק ולקבוע באיזה חריץ הוא עבר. אז יש לנו מצב פרדוקסלי - דפוס ההתאבכות אומר לנו שאנחנו לא יכולים לקבוע איזה חריץ עבר החלקיק, אבל שדה הכבידה הקלאסי מאפשר לנו לעשות בדיוק את זה.

אבל אם שדה הכבידה הוא קוונטי, אין פרדוקס - אי הוודאות מתגנבת כאשר מודדים את שדה הכבידה, ולכן עדיין יש לנו אי ודאות בקביעת מיקומו של החלקיק.

אז אם כוח הכבידה מתנהג בצורה קלאסית, בסופו של דבר אתה יודע יותר מדי. וזה אומר שרעיונות אהובים ממכניקת הקוונטים, כמו סופרפוזיציה, מתקלקלים?

כן, שדה הכבידה יודע יותר מדי. אבל יש פרצה בטיעון של פיינמן שיכול לאפשר לכוח הכבידה הקלאסי לפעול.

מה זה הפרצה הזאת?

כפי שהוא נראה, אנו יודעים באיזה נתיב עבר החלקיק כי הוא מייצר שדה כבידה מוגדר שמכופף את המרחב-זמן ומאפשר לנו לקבוע את מיקומו של החלקיק. 

אבל אם האינטראקציה הזו בין החלקיק למרחב-זמן היא אקראית - או בלתי צפויה - אז החלקיק עצמו אינו מכתיב לחלוטין את שדה הכבידה. מה שאומר שמדידת שדה הכבידה לא תמיד תקבע איזה חריץ עבר החלקיק כי שדה הכבידה יכול להיות באחד ממצבים רבים. האקראיות מתגנבת, וכבר אין לך פרדוקס.

אז למה יותר פיזיקאים לא חושבים שכוח הכבידה הוא קלאסי?

ובכן, מבחינה הגיונית אפשר לקבל תיאוריה שבה אנחנו לא מכמתים את כל השדות. אבל כדי שתיאוריה קלאסית של כוח הכבידה תהיה עקבית עם כל דבר אחר שמקובנטי, אז כוח הכבידה צריך להיות אקראי ביסודו. בעיני הרבה פיזיקאים זה לא מקובל.

למה?

פיזיקאים מבלים זמן רב בניסיון להבין כיצד פועל הטבע. אז הרעיון שיש, ברמה מאוד עמוקה, משהו בלתי צפוי מטבעו מטריד רבים.

התוצאה של מדידות בתוך תורת הקוונטים נראית הסתברותית. אבל פיזיקאים רבים מעדיפים לחשוב שמה שנראה כאקראיות הוא רק המערכת הקוונטית ומנגנון המדידה באינטראקציה עם הסביבה. הם לא רואים בזה איזו תכונה בסיסית של המציאות.

מה אתה מציע במקום?

הניחוש הטוב ביותר שלי הוא שתיאוריית הכבידה הבאה תהיה משהו שהוא לא לגמרי קלאסי ולא קוונטי לגמרי, אלא משהו אחר לגמרי.

פיזיקאים מגיעים רק עם מודלים שמתקרבים לטבע. אבל כניסיון לקירוב קרוב יותר, תלמידיי ואני בנינו תיאוריה עקבית לחלוטין שבה מערכות קוונטיות ומרחב-זמן קלאסי מקיימים אינטראקציה. היינו צריכים לשנות מעט את תורת הקוונטים ולשנות מעט את תורת היחסות הכללית הקלאסית כדי לאפשר את התמוטטות הניבוי הנדרשת.

למה התחלת לעבוד על התיאוריות ההיברידיות האלה?

הניע אותי פרדוקס המידע של החור השחור. כאשר אתה זורק חלקיק קוונטי לתוך חור שחור ואז נותן לחור השחור הזה להתאדות, אתה נתקל בפרדוקס אם אתה מאמין שחורים שחורים משמרים מידע. תורת הקוונטים הסטנדרטית דורשת שכל חפץ שתזרוק לתוך החור השחור יוקרן החוצה בצורה מקושקשת אך מזוהה. אבל זה מפר את תורת היחסות הכללית, שאומרת לנו שלעולם לא תוכל לדעת על עצמים שחוצים את אופק האירועים של החור השחור.

אבל אם תהליך אידוי החור השחור אינו דטרמיניסטי אז אין פרדוקס. אנחנו אף פעם לא לומדים מה נזרק לחור השחור כי הניבוי מתקלקל. תורת היחסות הכללית בטוחה.

אז הרעש בתיאוריות ההיברידיות הקוונטיות-קלאסיות הללו מאפשר לאבד מידע?

בדיוק. 

אבל שימור מידע הוא עיקרון מפתח במכניקת הקוונטים. לאבד את זה לא יכול לשבת בקלות עם תיאורטיקנים רבים.

זה נכון. היו ויכוחים עצומים על כך בעשורים האחרונים, וכמעט כולם האמינו שאידוי חור שחור הוא דטרמיניסטי. אני תמיד מתלבט מזה.

האם ניסויים יפתרו אי פעם אם כוח הכבידה יכומתי או לא?

בשלב מסוים. אנחנו עדיין לא יודעים כמעט כלום על כוח הכבידה בסולמות הקטנים ביותר. זה אפילו לא נבדק בסולם מילימטרים, שלא לדבר על סולם של פרוטון. אבל יש כמה ניסויים מרגשים שמגיעים לאינטרנט שיעשו זאת.

אחד הוא גרסה מודרנית של "ניסוי קוונדיש", שמחשב את עוצמת המשיכה הכבידה בין שני כדורי עופרת. אם יש אקראיות בשדה הכבידה, כמו בהיברידיות הקוונטיות-קלאסיות האלה, אז כשננסה למדוד את חוזקה לא תמיד נקבל את אותה תשובה. שדה הכבידה יתנועע. לכל תיאוריה שבה כוח הכבידה הוא קלאסי ביסודו יש רמה מסוימת של רעש גרביטציוני.

איך אתה יודע שהאקראיות הזו היא מהותית לשדה הכבידה ולא איזה רעש מהסביבה?

אתה לא. כוח הכבידה הוא כוח כל כך חלש, שאפילו הניסויים הטובים ביותר כבר יש בהם הרבה תנודות. אז אתה צריך לחסל את כל מקורות הרעש האחרים האלה ככל האפשר. מה שמרגש הוא שהתלמידים שלי ואני הראינו שאם התיאוריות ההיברידיות האלה נכונות, חייבת להיות כמות מינימלית של רעש כבידה. ניתן למדוד זאת על ידי חקר אטומי זהב בניסוי חריץ כפול. ניסויים אלה כבר מציבים גבולות לשאלה האם כוח הכבידה הוא קלאסי ביסודו. אנחנו סוגרים בהדרגה את כמות אי הקביעות המותרת.

בצד ההפוך של ההימור, האם יש ניסויים שיוכיחו שכוח המשיכה הוא כמותי?

יש ניסויים מוצעים שמחפשים הסתבכות בתיווך שדה הכבידה. מכיוון שהסתבכות היא תופעה קוונטית, זה יהיה מבחן ישיר של הטבע הקוונטי של כוח הכבידה. הניסויים האלה מרגשים מאוד, אבל כנראה בעוד עשרות שנים.